Контролни въпроси .. 18

9. Лабораторна работа № 2. Изследване на термоелектронна емисия при ниски плътности на емисионния ток . 18

Работен ред .. 19

Изисквания за отчет . 19

Контролни въпроси .. 19

Въведение

Емисионната електроника изучава явления, свързани с излъчването (излъчването) на електрони от кондензирана среда. Електронна емисия възниква в случаите, когато част от електроните на дадено тяло придобиват в резултат на външно въздействие енергия, достатъчна за преодоляване на потенциалната бариера на границата му, или ако външно електрическо поле го прави "прозрачен" за част от електроните. В зависимост от естеството на външното въздействие има:

• термоемисия (нагряване на тела);
• вторична електронна емисия (бомбардиране на повърхността с електрони);
• йонно-електронна емисия (бомбардиране на повърхността с йони);
• фотоелектронна емисия (електромагнитно облъчване);
• екзоелектронниемисия (механична, термична и други видове повърхностна обработка);
• полева емисия (външно електрическо поле) и др.

Във всички явления, при които е необходимо да се вземе предвид или излизането на електрон от кристал в околното пространство, или преходът от един кристал към друг, характеристиката, наречена „Работна функция“, придобива решаващо значение. Работната функция се дефинира като минималната енергия, необходима за отстраняване на електрон от твърдо тяло и поставянето му в точка, където потенциалната му енергия се приема за нула. В допълнение към описанието на различни емисионни явления, понятието работна функция играе важна роля при обяснението на възникването на контактна потенциална разлика при контакта на два метала, метал с полупроводник, два полупроводника, както и галванични явления.

Насоките се състоят от две части. Първата част съдържа основна теоретична информация за емисионните явления в твърдите тела. Основно внимание е отделено на явлението термоелектронна емисия. Втората част предоставя описание на лабораторната работа, посветена на експерименталното изследване на термоелектронната емисия, изследването на контактната потенциална разлика и разпределението на работната работа върху повърхността на пробата.

Част 1. Основни теоретични сведения

1. Работна работа на електрона. Влияние върху работната функция на състоянието на повърхността

Фактът, че електроните се задържат в твърдо тяло, показва, че в повърхностния слой на тялото възниква забавящо поле, което не позволява на електроните да го напуснат в околния вакуум. Схематично представяне на потенциална бариера на границата на твърдо тяло е показано на фиг. 1. За да напусне кристала, електронът трябва да извърши работа, равна на работната функция. Разграничете термодинамикаИ външенработна функция.

Термодинамичната работа е разликата между енергията на нулево ниво на вакуума и енергията на Ферми на твърдото тяло.

Външната работна работа (или електронен афинитет) е разликата между енергията на нулевото ниво на вакуум и енергията на дъното на проводимата зона (фиг. 1).

Ориз. 1. Форма на кристален потенциал U по линията на разположение на йони в кристала и в близката повърхност на кристала: позициите на йоните са маркирани с точки на хоризонталната линия; φ=- U /е – потенциал на работната функция; дЕ – Ферми енергия (отрицателна); д ° С– енергия на дъното на проводящата зона; W O – термодинамична работа на работа; W a – външна работна функция; защрихованата зона условно представлява запълнени електронни състояния

Има две основни причини за възникването на потенциална бариера на границата между твърдо тяло и вакуум. Една от тях се дължи на факта, че електрон, излъчен от кристал, индуцира положителен електрически заряд на повърхността му. Между електрона и повърхността на кристала възниква сила на привличане (сила на електрическо изображение, вижте Раздел 5, Фиг. 12), стремяща се да върне електрона обратно в кристала. Друга причина се дължи на факта, че електроните, поради топлинно движение, могат да пресекат повърхността на метала и да се отдалечат от него на къси разстояния (от порядъка на атома). Те образуват отрицателно зареден слой над повърхността. В този случай, след излизането на електроните, върху повърхността на кристала се образува положително зареден слой йони. В резултат на това се образува двоен електрически слой. Той не създава поле във външното пространство, но също така изисква работа за преодоляване на електрическото поле вътре в самия двоен слой.

Стойността на работата на работа за повечето метали и полупроводници е няколко електронволта. Например за литий работата на изход е 2,38 eV, желязо – 4,31 eV, германий – 4,76 eV, силиций – 4,8 eV. До голяма степен стойността на работата на изхода се определя от кристалографската ориентация на лицето на монокристала, от което възниква емисия на електрони. За равнината (110) на волфрам работната функция е 5,3 eV; за равнините (111) и (100) тези стойности са съответно 4,4 eV и 4,6 eV.

Тънките слоеве, отложени върху повърхността на кристала, оказват голямо влияние върху работната функция. Атомите или молекулите, отложени върху повърхността на кристал, често му даряват електрон или приемат електрон от него и стават йони. На фиг. Фигура 2 показва енергийната диаграма на метал и изолиран атом за случая, когато термодинамичната работа на електрон от метала W 0по-голяма от йонизационната енергия Е йонна атом, отложен върху повърхността й. В тази ситуация електронът на атома е енергийно изгоден тунелв метала и да се спуснете в него до нивото на Ферми. Металната повърхност, покрита с такива атоми, става отрицателно заредена и образува двоен електрически слой с положителни йони, чието поле ще намали работната функция на метала. На фиг. 3, а показва волфрамов кристал, покрит с монослой от цезий. Тук се реализира обсъдената по-горе ситуация, тъй като енергията Е йонцезий (3,9 eV) е по-малък от работата на изхода на волфрама (4,5 eV). При експерименти работната функция намалява повече от три пъти. Обратната ситуация се наблюдава, ако волфрамът е покрит с кислородни атоми (фиг. 3 b). Тъй като връзката на валентните електрони в кислорода е по-силна, отколкото във волфрама, когато кислородът се адсорбира върху повърхността на волфрама, се образува двоен електрически слой, който увеличава работната функция на метала. Най-често срещаният случай е, когато атом, отложен върху повърхността, не отдава напълно своя електрон на метала или приема допълнителен електрон, но деформира своята електронна обвивка, така че атомите, адсорбирани на повърхността, да се поляризират и да се превърнат в електрически диполи (фиг. 3в). В зависимост от ориентацията на диполите работата на изхода на метала намалява (ориентацията на диполите съответства на фиг. 3в) или се увеличава.

2. Феномен на термоелектронна емисия

Термоелектронната емисия е един от видовете електронна емисия от повърхността на твърдо тяло. В случай на термоелектронна емисия външното въздействие е свързано с нагряване на твърдото тяло.

Явлението термоелектронна емисия е излъчването на електрони от нагрети тела (емитери) във вакуум или друга среда.

При условия на термодинамично равновесие броят на електроните n(E), имащи енергия в диапазона от дпреди д+г Д, се определя от статистиката на Ферми-Дирак:

,(1)

Където g(E)– брой квантови състояния, съответстващи на енергията д; д Е – Ферми енергия; к– константа на Болцман; T– абсолютна температура.

На фиг. Фигура 4 показва енергийната диаграма на метала и кривите на разпределение на енергията на електроните при T=0 K, при ниска температура Т 1и при високи температури Т 2. При 0 K енергията на всички електрони е по-малка от енергията на Ферми. Нито един от електроните не може да напусне кристала и не се наблюдава термоемисия. С повишаване на температурата броят на термично възбудените електрони, способни да напуснат метала, се увеличава, което причинява явлението термоелектронна емисия. На фиг. 4 това се илюстрира от факта, че когато T=T 2"опашката" на кривата на разпределение излиза отвъд нулевото ниво на потенциалната яма. Това показва появата на електрони с енергия, надвишаваща височината на потенциалната бариера.

За металите работната функция е няколко електронволта. Енергия к Tдори при температури от хиляди келвини е част от електронволта. За чистите метали може да се получи значителна емисия на електрони при температура от около 2000 K. Например, в чист волфрам, забележима емисия може да се получи при температура от 2500 K.

За да се изследва термоелектронното излъчване, е необходимо да се създаде електрическо поле на повърхността на нагрято тяло (катод), ускоряващо електроните, за да ги отстрани (изсмукване) от повърхността на емитера. Под въздействието на електрическо поле излъчените електрони започват да се движат и се образува електрически ток, който се нарича термоефективен. За наблюдение на термоелектронен ток обикновено се използва вакуумен диод - електронна тръба с два електрода. Катодът на лампата е нажежаема жичка от огнеупорен метал (волфрам, молибден и др.), нагрята от електрически ток. Анодът обикновено има формата на метален цилиндър, заобикалящ нагрят катод. За да се наблюдава термоелектронен ток, диодът е свързан към веригата, показана на фиг. 5. Очевидно силата на термоелектронния ток трябва да нараства с увеличаване на потенциалната разлика Vмежду анода и катода. Това увеличение обаче не е пропорционално V(фиг. 6). При достигане на определено напрежение нарастването на термоелектронния ток практически спира. Граничната стойност на термоелектронния ток при дадена температура на катода се нарича ток на насищане. Големината на тока на насищане се определя от броя на термоелектронните електрони, които могат да излязат от повърхността на катода за единица време. В този случай всички електрони, доставени чрез термоелектронна емисия от катода, се използват за производство на електрически ток.

3. Зависимост на термоелектронния ток от температурата. Формула Ричардсън-Дешман

При изчисляване на плътността на термоелектронния ток ще използваме модела на електронния газ и ще приложимСтатистика на Ферми-Дирак към него. Очевидно е, че плътността на термоелектронния ток се определя от плътността на електронния облак в близост до повърхността на кристала, който се описва с формула (1). В тази формула нека преминем от разпределението на енергията на електроните към разпределението на импулса на електроните. В този случай вземаме предвид, че разрешените стойности на вектора на вълната на електрона к V к -пространството се разпределят равномерно, така че за всяка стойност к отчита том 8 стр 3 (за кристален обем, равен на единица). Като се има предвид, че импулсът на електрона p =ћ к получаваме, че броят на квантовите състояния в обемния елемент на импулсното пространство dp xdp ydp zще бъдат равни

(2)

Двете в числителя на формула (2) отчитат две възможни стойности на въртенето на електрона.

Нека насочим оста zправоъгълна координатна система, нормална към повърхността на катода (фиг. 7). Нека изберем площ от единица площ на повърхността на кристала и да изградим върху нея, като върху основа, правоъгълен паралелепипед със страничен ръб v z =p z /m n(m n– ефективна маса на електрона). Електроните допринасят за плътността на тока на насищане на компонента v zскорост на оста z. Приносът към плътността на тока от един електрон е равен на

(3)

Където д– заряд на електрона.

Броят на електроните в паралелепипеда, чиито скорости се съдържат в разглеждания интервал:

За да не се разруши кристалната решетка по време на излъчването на електрони, незначителна част от електроните трябва да напуснат кристала. За това, както показва формула (4), трябва да е изпълнено условието НЕЯЕ>> к T. За такива електрони единицата в знаменателя на формула (4) може да бъде пренебрегната. След това тази формула се трансформира във формата

(5)

Нека сега намерим броя на електроните dNв разглеждания обхват, z-чийто импулсен компонент се съдържа между Р zИ Р z +dp z. За да направите това, предишният израз трябва да бъде интегриран върху Р х И Р гвариращи от –∞ до +∞. При интегрирането трябва да се има предвид, че

,

и използвайте табличния интеграл

,.

В резултат на това получаваме

.(6)

Сега, като вземем предвид (3), нека намерим плътността на термоелектронния ток, създаден от всички електрони на паралелепипеда. За да направите това, изразът (6) трябва да бъде интегриран за всички електрони, чиято кинетична енергия е на нивото на Ферми E ≥E F +W 0Само такива електрони могат да напуснат кристала и само те играят роля при изчисляването на термотока. Компонентът на импулса на такива електрони по оста Зтрябва да отговаря на условието

Следователно плътността на тока на насищане

Интегрирането се извършва за всички стойности. Нека въведем нова интеграционна променлива

Тогава p z dp z =m n duИ

.(8)

В резултат на това получаваме

,(9)

,(10)

къде е константата

.

Равенството (10) се нарича формула Ричардсън-Дешман. Чрез измерване на плътността на тока на термоелектронно насищане, може да се използва тази формула за изчисляване на константата A и работната функция W 0 . За експериментални изчисления формулата Ричардсън-Дешманудобно е да го представите във формата

В този случай графиката показва зависимостта ln(js/Т 2)от 1 /Tизразено с права линия. От пресечната точка на правата с ординатната ос се изчислява ln А , а по ъгъла на наклона на правата се определя работната работа (фиг. 8).

4. Контактна потенциална разлика

Нека разгледаме процесите, които възникват, когато два електронни проводника, например два метала, с различни работни функции се приближат и влязат в контакт. Енергийните диаграми на тези метали са показани на фиг. 9. Нека дF 1И дЕ 2е енергията на Ферми за първия и втория метал, съответно, и W 01И W 02– трудовите им функции. В изолирано състояние металите имат едно и също ниво на вакуум и следователно различни нива на Ферми. Да приемем със сигурност, че W 01< W 02, тогава нивото на Ферми на първия метал ще бъде по-високо от това на втория (фиг. 9 а). Когато тези метали влязат в контакт срещу заетите електронни състояния в метал 1, има свободни енергийни нива на метал 2. Следователно, когато тези проводници влязат в контакт, произтичащ поток от електрони възниква от проводник 1 към проводник 2. Това води до фактът, че първият проводник, губейки електрони, става положително зареден, а вторият проводник, придобивайки допълнителен отрицателензарядът се зарежда отрицателно. Поради зареждането всички енергийни нива на метал 1 се изместват надолу, а метал 2 се измества нагоре. Процесът на изместване на нивата и процесът на преход на електрони от проводник 1 към проводник 2 ще продължи, докато нивата на Ферми на двата проводника се изравнят (фиг. 9 b). Както може да се види от тази фигура, равновесното състояние съответства на потенциалната разлика между нулевите нива на проводниците 0 1 и 0 2:

.(11)

Потенциална разлика V К.Р.ПНаречен контактна потенциална разлика. Следователно контактната потенциална разлика се определя от разликата в работата на електроните от контактните проводници. Полученият резултат е валиден за всякакви методи за обмен на електрони между два материала, включително чрез термоемисия във вакуум, чрез външна верига и др. Подобни резултати се получават, когато метал контактува с полупроводник. Между металите и полупроводника възниква контактна потенциална разлика, която е приблизително от същия порядък, както при контакт между два метала (приблизително 1 V). Единствената разлика е, че ако в проводниците цялата контактна потенциална разлика пада почти върху пролуката между металите, тогава, когато метал влезе в контакт с полупроводник, цялата контактна потенциална разлика пада върху полупроводника, в който има достатъчно голям слой образувани, обогатени или изчерпани от електрони. Ако този слой е обеднен от електрони (в случая, когато работата на полупроводник от n-тип е по-малка от работата на метала), тогава такъв слой наречено блокиране и такъв преходще има изправящи свойства. Потенциалната бариера, която възниква при изправящия контакт на метал с полупроводник, се нарича Бариера на Шотки, и диоди, работещи на негова основа - Шотки диоди.

Волт-амперХарактеристики на термоелектронен катод при ниски емисионни плътности на тока. Ефект на Шотки

Ако се създаде потенциална разлика между термоелектронния катод и анода на диода (фиг. 5) V, предотвратявайки движението на електрони към анода, тогава само тези, които излитат от катода с запас от кинетична енергия не по-малък от енергията на електростатичното поле между анода и катода, ще могат да достигнат до анода, т.е. -е V(V< 0). За целта тяхната енергия в термоелектронния катод трябва да бъде не по-малка W 0 –еV. След това, замествайки във формулата Ричардсън-Дешман (10) W 0На W 0 –еV, получаваме следния израз за плътността на тока на топлинна емисия:

,(12)

Тук j S– плътност на тока на насищане. Нека вземем логаритъм на този израз

.(13)

При положителен потенциал на анода всички електрони, напускащи термионния катод, попадат върху анода. Следователно токът във веригата не трябва да се променя, оставайки равен на тока на насищане. По този начин, волт-амперХарактеристиката (характеристиката ток-напрежение) на термичния катод ще има формата, показана на фиг. 10 (крива а).

Подобна характеристика ток-напрежение се наблюдава само при относително ниски плътности на емисионния ток и високи положителни потенциали на анода, когато значителен електронен пространствен заряд не възниква близо до излъчващата повърхност. Токово-напреженови характеристики на термоелектронния катод с отчитане на пространствения заряд, разгледани в раздел. 6.

Нека отбележим още една важна характеристика на характеристиката ток-напрежение при ниски плътности на емисионния ток. Изводът е, че термотокът достига насищане при V=0, е валиден само за случая, когато материалите на катода и анода имат еднаква термодинамична работа на работа. Ако работните функции на катода и анода не са равни, тогава между анода и катода се появява контактна потенциална разлика. В този случай дори при липса на външно електрическо поле ( V=0) има електрическо поле между анода и катода поради контактната потенциална разлика. Например ако W 0k< W 0a тогава анодът ще бъде зареден отрицателно спрямо катода. За да се унищожи контактната потенциална разлика, трябва да се приложи положително отклонение към анода. Ето защо волт-амперхарактеристиката на горещия катод се измества с величината на контактната потенциална разлика към положителния потенциал (фиг. 10, крива b). С обратна зависимост между W 0kИ W 0aпосоката на изместване на характеристиката ток-напрежение е противоположна (крива c на фиг. 10).

Заключение за независимостта на плътността на тока на насищане при V>0 е силно идеализиран. В реалните характеристики на тока и напрежението на термоелектронната емисия се наблюдава леко увеличение на тока на термоелектронната емисия с нарастване Vв режим на насищане, което е свързано с Ефект на Шотки(фиг. 11).

Ефектът на Шотки е намаляване на работата на изход на електрони от твърди тела под въздействието на външно ускоряващо електрическо поле.

За да обясните ефекта на Шотки, помислете за силите, действащи върху електрон близо до повърхността на кристал. В съответствие със закона за електростатичната индукция върху повърхността на кристала се индуцират повърхностни заряди с противоположен знак, които определят взаимодействието на електрона с повърхността на кристала. В съответствие с метода на електрическите изображения действието на реални повърхностни заряди върху електрона се заменя с действието на фиктивен точка положителназареждане +e, разположен на същото разстояние от повърхността на кристала като електрона, но от противоположната страна на повърхността (фиг. 12). След това, в съответствие със закона на Кулон, силата на взаимодействие между два точкови заряда

,(14)

Тук ε о– електрическа константа: хе разстоянието между електрона и повърхността на кристала.

Потенциалната енергия на един електрон в силовото поле на електрическото изображение, ако се брои от нулевото ниво на вакуум, е равна на

.(15)

Потенциална енергия на електрон във външно ускоряващо електрическо поле д

Обща потенциална енергия на електрона

.(17)

Графично определяне на общата енергия на електрон, разположен близо до повърхността на кристала, е показано на фиг. 13, която ясно показва намаляване на работата на изход на електрон от кристала. Кривата на общата потенциална енергия на електроните (плътна крива на фиг. 13) достига максимум в точката x m:

.(18)

Тази точка е на 10 Å от повърхността при напрегнатост на външно поле » 3× 10 6 V/cm.

В точката х м обща потенциална енергия, равна на намаляването на потенциалната бариера (и, следователно, намаляването на работната функция),

.(19)

В резултат на ефекта на Шотки токът на топлинния диод при положително напрежение на анода нараства с увеличаване на анодното напрежение. Този ефект се проявява не само когато електроните се излъчват във вакуум, но и когато се движат през контактите метал-полупроводник или метал-изолатор.

6. Токове във вакуум, ограничени от пространствен заряд. Законът на "трите секунди"

При високи плътности на тока на термоемисия, характеристиката ток-напрежение се влияе значително от обемния отрицателен заряд, който възниква между катода и анода. Този отрицателен обемен заряд не позволява на електроните, излизащи от катода, да достигнат до анода. Така анодният ток се оказва по-малък от тока на емисия на електрони от катода. Когато към анода се приложи положителен потенциал, допълнителната потенциална бариера на катода, създадена от пространствения заряд, намалява и анодният ток се увеличава. Това е качествена картина на влиянието на пространствения заряд върху характеристиката ток-напрежение на термичен диод. Този въпрос е теоретично изследван от Langmuir през 1913 г.

Нека изчислим, при редица опростяващи допускания, зависимостта на тока на термичния диод от външната потенциална разлика, приложена между анода и катода, и да намерим разпределението на полето, потенциала и концентрацията на електрони между анода и катода, като вземем предвид пространственият заряд.

Ориз. 14. Към заключението на закона на "трите секунди"

Да приемем, че диодните електроди са плоски. С малко разстояние между анода и катода дте могат да се считат за безкрайно големи. Поставяме началото на координатите върху повърхността на катода и оста хНека го насочим перпендикулярно на тази повърхност към анода (фиг. 14). Ние ще поддържаме температурата на катода постоянна и еднаква T. Потенциал на електростатичното поле й , съществуващ в пространството между анода и катода, ще бъде функция само на една координата х. Той трябва да задоволи Уравнение на Поасон

,(20)

Тук r – обемна плътност на заряда; н– електронна концентрация; й , r И нса функции на координатата х.

Като се има предвид, че плътността на тока между катода и анода

и скоростта на електрона vможе да се определи от уравнението

Където м– маса на електрона, уравнение (20) може да се преобразува до формата

, .(21)

Това уравнение трябва да бъде допълнено с гранични условия

Тези гранични условия следват от факта, че потенциалът и напрегнатостта на електрическото поле на повърхността на катода трябва да изчезнат. Умножавайки двете страни на уравнение (21) по дй /dx, получаваме

.(23)

Като се има предвид това

(24а)

И , (24b)

записваме (23) във формата

.(25)

Сега можем да интегрираме двете страни на уравнение (25). хвариращи от 0 до тази стойност х, при което потенциалът е равен й . Тогава, като вземем предвид граничните условия (22), получаваме

Интегриране на двете части (27), вариращи от х=0, й =0 до х=1, й= V а, получаваме

.(28)

Чрез повдигане на квадрат на двете страни на равенството (28) и изразяване на плътността на тока йот Асъгласно (21), получаваме

.(30)

Формула (29) се нарича "закон за трите секунди" на Лангмюр.

Този закон е валиден за електроди с произволна форма. Изразът за числения коефициент зависи от формата на електродите. Получените по-горе формули позволяват да се изчислят разпределенията на потенциала, напрегнатостта на електрическото поле и електронната плътност в пространството между катода и анода. Интегриране на израз (26), вариращ от х=0 към стойността, когато потенциалът е равен й , води до релацията

тези. потенциалът варира пропорционално на разстоянието от катода хна степен 4/3. Производна дй/ dxхарактеризира напрегнатостта на електрическото поле между електродите. Според (26), величината на напрегнатостта на електрическото поле д ~х 19 . И накрая, концентрацията на електрони

(32)

и според (31) н(х)~ (1/х) 2/9 .

Зависимости й (х ), д(х) И н(х) са показани на фиг. 15. Ако х→0, тогава концентрацията клони към безкрайност. Това е следствие от пренебрегването на топлинните скорости на електроните на катода. В реална ситуация, по време на термоемисия, електроните напускат катода не с нулева скорост, а с определена крайна скорост на емисия. В този случай анодният ток ще съществува дори ако в близост до катода има малко обратно електрическо поле. Следователно, обемната плътност на заряда може да се промени до такива стойности, че потенциалът в близост до катода намалява до отрицателни стойности (фиг. 16). С увеличаване на анодното напрежение минималният потенциал намалява и се доближава до катода (криви 1 и 2 на фиг. 16). При достатъчно високо напрежение на анода минималният потенциал се слива с катода, напрегнатостта на полето на катода става нула и зависимостта й (х) подходи (29), изчислени без отчитане на началните скорости на електроните (крива 3 на фиг. 16). При високи анодни напрежения пространственият заряд е почти напълно разтворен и потенциалът между катода и анода се променя по линеен закон (крива 4, фиг. 16).

По този начин разпределението на потенциала в междуелектродното пространство, като се вземат предвид началните скорости на електроните, се различава значително от това, което е в основата на идеализирания модел при извеждане на закона за „трите секунди“. Това води до промяна и зависимост на плътността на анодния ток. Изчисление, като се вземат предвид началните скорости на електроните за случая на разпределението на потенциала, показано на фиг. 17, а за цилиндрични електроди дава следната зависимост за общия термоемисионен ток аз (аз=jS, Където С– площ на напречното сечение на термотока):

.(33)

Настроики x mИ Vmсе определя от вида на зависимостта й (х), тяхното значение е ясно от фиг. 17. Параметър х м равно на разстоянието от катода, на което потенциалът достига минималната си стойност = Vm. Фактор ° С(x m), с изключение x m, зависи от радиусите на катода и анода. Уравнение (33) е валидно за малки промени в анодното напрежение, т.к И х м И Vm, както беше обсъдено по-горе, зависят от анодното напрежение.

По този начин законът на „трите секунди“ не е универсален, той е валиден само в сравнително тесен диапазон от напрежения и токове. Въпреки това, това е ясен пример за нелинейната връзка между тока и напрежението в електронно устройство. Нелинейността на характеристиката ток-напрежение е най-важната характеристика на много елементи на радио и електрически вериги, включително елементи на твърдотелна електроника.

Част 2. Лабораторна работа

7. Експериментална установка за изследване на термоелектронна емисия

Лабораторни упражнения № 1 и 2 се изпълняват на една лабораторна инсталация, изпълнена на базата на универсален лабораторен стенд. Схемата за монтаж е показана на фиг. 18. Измервателната секция съдържа EL вакуумен диод с директно или индиректно нагряван катод. Предният панел на измервателната секция показва контактите на нишката „Нажежаема жичка“, анода „Анод“ и катода „Катод“. Източникът на нажежаема жичка е стабилизиран източник на постоянен ток от тип B5-44A. Иконата I в диаграмата показва, че източникът работи в режим на текуща стабилизация. Процедурата за работа с източник на постоянен ток можете да намерите в техническото описание и инструкцията за експлоатация на това устройство. Подобни описания има за всички електрически измервателни уреди, използвани в лабораторната работа. Анодната верига включва стабилизиран източник на постоянен ток B5-45A и универсален цифров волтметър B7-21A, използван в режим на измерване на постоянен ток за измерване на анодния ток на термодиода. За измерване на анодното напрежение и тока на нагряване на катода можете да използвате устройства, вградени в източника на захранване, или да свържете допълнителен волтметър RV7-32 за по-точно измерване на напрежението на катода.

Измервателната секция може да съдържа вакуумни диоди с различни работни токове на катодната нишка. При номиналния ток на нажежаемата жичка диодът работи в режим на ограничаване на анодния ток чрез пространствен заряд. Този режим е необходим за извършване на лабораторна работа №1. Лабораторна работа № 2 се изпълнява при намалени токове на нишките, когато влиянието на пространствения заряд е незначително. Когато настройвате тока на спиралата, трябва да бъдете особено внимателни, т.к Превишаването на тока на нишката над номиналната му стойност за дадена вакуумна тръба води до изгаряне на катодната нишка и повреда на диода. Ето защо, когато се подготвяте за работа, не забравяйте да проверите с вашия учител или инженер стойността на работния ток на нажежаемата жичка на диода, използван в работата; не забравяйте да запишете данните в работната си книга и да я използвате, когато изготвяте доклад за лабораторна работа.

8. Лабораторна работа №1. Изследване на влиянието на пространствения заряд върху волт-амперхарактеристики на термичния ток

Цел на работата: експериментално изследване на зависимостта на тока на термоемисия от анодното напрежение, определяне на показателя в закона за "трите секунди".

Волт-амперХарактеристиката на тока на термоемисия се описва от закона на „трите секунди“ (виж раздел 6). Този режим на работа на диода възниква при достатъчно високи токове на катодната нишка. Обикновено при номинален ток на спиралата токът на вакуумния диод е ограничен от пространствения заряд.

Експерименталната постановка за извършване на тази лабораторна работа е описана в раздел. 7. По време на работа е необходимо да се измери характеристиката ток-напрежение на диода при номиналния ток на нажежаемата жичка. Стойността на скалата на работния ток на използваната вакуумна тръба трябва да бъде взета от учител или инженер и записана в работна книга.

Работен ред

1. Запознайте се с описанието и процедурата за работа с инструментите, необходими за работата на експерименталната постановка. Сглобете веригата съгласно фиг. 18. Инсталацията може да бъде свързана към мрежата само след проверка на правилността на сглобената верига от инженер или учител.

2. Включете захранването с ток на катодната нишка и задайте необходимия ток на нишката. Тъй като когато токът на нажежаемата жичка се променя, температурата и съпротивлението на нажежаемата жичка се променят, което от своя страна води до промяна в тока на нажежаемата жичка, настройката трябва да се извърши по метода на последователните приближения. След като завършите настройката, трябва да изчакате приблизително 5 минути, за да се стабилизират токът на спиралата и температурата на катода.

3. Свържете източник на постоянно напрежение към анодната верига и чрез промяна на напрежението на анода измервайте характеристиката ток-напрежение точка по точка. Вземете характеристиката ток-напрежение в диапазона 0...25 V, на всеки 0,5...1 V.

аз а(V а), Където аз а– аноден ток, V а– анодно напрежение.

5. Ако обхватът на промените в анодното напрежение се приеме за малък, тогава стойностите x m, ° С(x,n) И Vm, включени във формула (33), могат да се приемат постоянни.На свобода V аразмер Vmможе да се пренебрегне. В резултат на това формула (33) се трансформира във формата (след преход от плътността на термотока йдо пълната му стойност аз)

6. От формула (34) определете стойността СЪСза три максимални стойности на анодното напрежение върху характеристиката ток-напрежение. Изчислете средноаритметичното на получените стойности. Замествайки тази стойност във формула (33), определете стойността Vmза три минимални стойности на напрежението на анода и изчислете средната аритметична стойност Vm.

7. Използване на получената стойност Vm, начертайте зависимостта на ln аз аот ln( V а+|Vm|). Определете степента на зависимост от тангенса на ъгъла на тази графика аз а(V a + Vm). Трябва да е близо до 1,5.

8. Подгответе отчет за работата.

Изисквания за отчет

5. Изводи по работата.

Контролни въпроси

1. Как се нарича явлението термоелектронна емисия? Определете работата на един електрон. Каква е разликата между термодинамичната и външната работна функция?

2. Обяснете причините за възникването на потенциална бариера на границата твърдо тяло-вакуум.

3. Обяснете, въз основа на енергийната диаграма на метала и кривата на разпределение на енергията на електроните, топлинното излъчване на електрони от метала.

4. При какви условия се наблюдава термоелектронен ток? Как можете да наблюдавате термоелектронен ток? Как токът на термичния диод зависи от приложеното електрическо поле?

5. Посочете закона Ричардсън-Дешман

6. Обяснете качествената картина на влиянието на отрицателния обемен заряд върху характеристиката на тока и напрежението на термичен диод. Формулирайте закона за "трите секунди" на Лангмюр.

7. Какви са разпределенията на потенциала, напрегнатостта на електрическото поле и електронната плътност в пространството между катода и анода при токове, ограничени от пространствения заряд?

8. Каква е зависимостта на тока на топлинна емисия от напрежението между анода и катода, като се вземат предвид обемният заряд и началните скорости на електроните? Обяснете значението на параметрите, които определят тази зависимост;

9. Обяснете конструкцията на експерименталната установка за изследване на термоелектронна емисия. Обяснете предназначението на отделните елементи на веригата.

10. Обяснете метода за експериментално определяне на показателя в закона за „трите секунди“.

9. Лабораторна работа № 2. Изследване на термоелектронна емисия при ниски плътности на емисионния ток

Цел на работата: да се изследват характеристиките на напрежението на термичния диод при нисък ток на нагряване на катода. Определяне от експериментални резултати на контактната потенциална разлика между катода и анода, температурата на катода.

При ниски топлинни плътности на тока волт-амперхарактеристиката има характерен вид с инфлексна точка, съответстваща на модула на контактната потенциална разлика между катода и анода (фиг. 10). Температурата на катода може да се определи по следния начин. Нека преминем към уравнение (12), което описва характеристиката ток-напрежение на термоемисия при ниски плътности на тока, от плътността на термотока йдо пълната му стойност аз(й=аз/С, Където С– площ на напречното сечение на термотока). Тогава получаваме

Където Аз С– ток на насищане.

Като логаритмираме (35), имаме

.(36)

Доколкото уравнение (36) описва характеристиката ток-напрежение в зоната вляво от точката на инфлексия, тогава за определяне на температурата на катода е необходимо да се вземат произволни две точки в тази област с анодни токове аз 1, аз 2и анодни напрежения U a 1, U a 2съответно. Тогава, съгласно уравнение (36),

От тук получаваме работната формула за температурата на катода

.(37)

Работен ред

За извършване на лабораторна работа трябва:

1. Запознайте се с описанието и процедурата за работа с инструментите, необходими за работата на експерименталната постановка. Сглобете веригата съгласно фиг. 18. Инсталацията може да бъде свързана към мрежата само след проверка на правилността на сглобената схема от инженер или учител.

2. Включете захранването с ток на катодната нишка и задайте необходимия ток на нишката. След като зададете тока, трябва да изчакате приблизително 5 минути, за да се стабилизират токът на спиралата и температурата на катода.

3. Свържете източник на постоянно напрежение към анодната верига и чрез промяна на напрежението на анода измервайте характеристиката ток-напрежение точка по точка. Волт-ампервземете характеристиката в диапазона от 0...5 V на всеки 0,05...0,2 V.

4. Представете резултатите от измерването на графика в ln координати аз а(V а), Където аз а– аноден ток, V а– анодно напрежение. Тъй като в тази работа разликата в контактния потенциал се определя графично, мащабът по хоризонталната ос трябва да бъде избран така, че точността на определяне V К.Р.Пе не по-малко от 0,1 V.

5. Използвайки инфлексната точка на характеристиката ток-напрежение, определете контактната потенциална разлика между анода и катода.

6. Определете температурата на катода за три двойки точки на наклонения линеен участък на характеристиката ток-напрежение вляво от точката на инфлексия. Температурата на катода трябва да се изчисли по формула (37). Изчислете средната температура от тези данни.

7. Подгответе отчет за работата.

Изисквания за отчет

Протоколът се съставя на стандартен лист А4 и трябва да съдържа:

1. Основни сведения по теорията.

2. Схема на експерименталната постановка и нейното кратко описание.

3. Резултати от измервания и изчисления.

4. Анализ на получените експериментални резултати.

5. Изводи по работата.

Контролни въпроси

1. Избройте видовете електронна емисия. Какво причинява освобождаването на електрони при всеки вид електронна емисия?

2. Обяснете явлението термоелектронна емисия. Определете работната работа на електрон от твърдо тяло. Как можем да обясним съществуването на потенциална бариера на границата между твърдо тяло и вакуум?

3. Обяснете, въз основа на енергийната диаграма на метала и кривата на разпределение на енергията на електроните, топлинното излъчване на електрони от метала.

4. Посочете закона Ричардсън-Дешман. Обяснете физическото значение на количествата, включени в този закон.

5. Какви са особеностите на ток-напрежението на термоелектронния катод при ниски плътности на емисионния ток? Как се отразява контактната потенциална разлика между катода и анода?

6. Какво представлява ефектът на Шотки? Как се обяснява този ефект?

7. Обяснете намаляването на потенциалната бариера за електрони под въздействието на електрическо поле.

8. Как ще се определя температурата на катода в тази лаборатория?

9. Обяснете метода за определяне на контактната потенциална разлика в тази работа.

10. Обяснете схемата и предназначението на отделните елементи на лабораторната уредба.

Електроните на проводимостта не напускат спонтанно метала в значителни количества. Това се обяснява с факта, че металът представлява потенциална дупка за тях. Само онези електрони, чиято енергия е достатъчна за преодоляване на потенциалната бариера, присъстваща на повърхността, могат да напуснат метала. Силите, причиняващи тази бариера, имат следния произход. Случайното отстраняване на електрон от външния слой от положителни йони на решетката води до появата на излишен положителен заряд на мястото, където електронът е напуснал.

Кулоновото взаимодействие с този заряд принуждава електрона, чиято скорост не е много висока, да се върне обратно. По този начин отделните електрони постоянно напускат повърхността на метала, отдалечават се от него на няколко междуатомни разстояния и след това се връщат обратно. В резултат на това металът е заобиколен от тънък облак от електрони. Този облак, заедно с външния слой от йони, образува двоен електрически слой (фиг. 60.1; кръгове - йони, черни точки - електрони). Силите, действащи върху електрона в такъв слой, са насочени в метала.

Работата, извършена срещу тези сили при прехвърляне на електрон от метала навън, увеличава потенциалната енергия на електрона

По този начин потенциалната енергия на валентните електрони вътре в метала е по-малка от тази извън метала с количество, равно на дълбочината на потенциалната яма (фиг. 60.2). Промяната на енергията се извършва на дължина от порядъка на няколко междуатомни разстояния, така че стените на кладенеца могат да се считат за вертикални.

Потенциалната енергия на електрона и потенциалът на точката, в която се намира електронът, имат противоположни знаци. От това следва, че потенциалът вътре в метала е по-голям от потенциала в непосредствена близост до неговата повърхност (ще кажем просто „на повърхността“ за краткост) с количеството

Придаването на метала на излишен положителен заряд увеличава потенциала както на повърхността, така и вътре в метала. Потенциалната енергия на електрона съответно намалява (фиг. 60.3, а).

Нека си припомним, че стойностите на потенциала и потенциалната енергия в безкрайност се приемат като отправна точка. Съобщението за отрицателен заряд намалява потенциала вътре и извън метала. Съответно потенциалната енергия на електрона се увеличава (фиг. 60.3, b).

Общата енергия на един електрон в метал се състои от потенциална и кинетична енергия. В § 51 беше установено, че при абсолютна нула стойностите на кинетичната енергия на електроните на проводимостта варират от нула до енергията Emax, съвпадаща с нивото на Ферми. На фиг. 60.4, енергийните нива на проводимата зона са вписани в потенциалната яма (пунктираната линия показва незаети нива). За да бъдат отстранени от метала, на различните електрони трябва да се даде различна енергия.

По този начин на електрон, разположен на най-ниското ниво на проводящата лента, трябва да се даде енергия; за електрон, разположен на нивото на Ферми, енергията е достатъчна

Минималната енергия, която трябва да бъде придадена на електрон, за да бъде отстранен от твърдо или течно тяло във вакуум, се нарича работна функция. Работната функция обикновено се означава с където Ф е величина, наречена изходен потенциал.

В съответствие с горното работата на електрон от метал се определя от израза

Получихме този израз при допускането, че температурата на метала е 0 K. При други температури работната функция също се определя като разликата между дълбочината на потенциалната яма и нивото на Ферми, т.е. дефиницията (60.1) се разширява до всяко температура. Същото определение важи и за полупроводниците.

Нивото на Ферми зависи от температурата (виж формула (52.10)). В допълнение, поради промяната в средните разстояния между атомите поради термично разширение, дълбочината на потенциалната яма се променя леко.Това води до факта, че работната функция слабо зависи от температурата.

Работната функция е много чувствителна към състоянието на металната повърхност, по-специално към нейната чистота. Чрез избора на подходящо повърхностно покритие, работната функция може да бъде значително намалена. Например, нанасянето на слой от оксид на алкалоземен метал (Ca, Sr, Ba) върху повърхността на волфрама намалява работната функция от 4,5 eV (за чист W) до 1,5-2.

ФИЗИКА

Закон за запазване на заряда. Закон на Кулон. Диелектрична константа на вещество.

Закон за запазване на електрическия заряд заявява, че алгебричната сума на зарядите в електрически затворена система се запазва.

Законът за запазване на заряда в интегрална форма:

Тук Ω е произволна област в триизмерното пространство, е границата на тази област, ρ е плътността на заряда и е плътността на тока (плътността на потока на електрическия заряд) през границата.

Законът за запазване на заряда в диференциална форма:

Закон за запазване на заряда в електрониката:

Правилата на Кирхоф за токовете следват директно от закона за запазване на заряда. Комбинацията от проводници и радиоелектронни компоненти е представена като отворена система. Общият приток на заряди в дадена система е равен на общия изход на заряди от системата. Правилата на Кирхоф предполагат, че една електронна система не може значително да промени общия си заряд.

Закон на Кулон. Модулът на силата на взаимодействие между два точкови заряда във вакуум е право пропорционален на произведението на модулите на тези заряди и обратно пропорционален на квадрата на разстоянието между тях. където е силата, с която заряд 1 действа върху заряд 2; q1,q2 - величина на зарядите; - радиус вектор (вектор, насочен от заряд 1 към заряд 2 и равен по абсолютна стойност на разстоянието между зарядите - r12); k - коефициент на пропорционалност. По този начин законът показва, че еднаквите заряди отблъскват (и различните заряди привличат).

Диелектрична константа на вещество. Физическа величина, равна на отношението на модула на напрегнатостта на външното електрическо поле във вакуум към модула на общата напрегнатост на полето в хомогенен диелектрик, се нарича диелектрична константа на веществото.

Електрическо поле. Сила на електрическото поле. Метод на суперпозиция на електрическо поле.

Електрическо поле - един от компонентите на електромагнитното поле; специален вид материя, която съществува около тела или частици с електрически заряд, както и в свободна форма при промяна на магнитното поле (например при електромагнитни вълни). Електрическото поле е директно невидимо, но може да се наблюдава поради силното му въздействие върху заредените тела.

Сила на електрическото поле - векторно физическо количество, което характеризира електрическото поле в дадена точка и е числено равно на съотношението на силата, действаща върху тестов заряд, поставен в дадена точка на полето, към стойността на този заряд q: .

Метод на суперпозиция на електрическо поле. Ако полето се формира не от един заряд, а от няколко, тогава силите, действащи върху пробния заряд, се сумират според правилото за векторно добавяне. Следователно силата на системата от заряди в дадена точка, полето, е равна на векторната сума на напрегнатостта на полето от всеки заряд поотделно.

Векторен поток на напрегнатост на електрическото поле. Електрическо отклонение. Теорема на Остроградски-Гаус.

напрегнатост на електрическото поле върху дадена повърхност

сумата от потоци през всички области, на които е разделена повърхността

Електрическо отклонение. Поради различната поляризуемост на различни диелектрици, напрегнатостта на полето в тях ще бъде различна. Следователно броят на захранващите линии във всеки диелектрик също е различен.

Някои от линиите, произтичащи от заряди, заобиколени от затворена повърхност, ще завършат на диелектричния интерфейс и няма да проникнат през тази повърхност. Тази трудност може да бъде елиминирана чрез въвеждане на нова физическа характеристика на полето - векторът на електрическото изместване.

Векторът е насочен в същата посока като. Концепцията за векторни линии и поток на изместване е подобна на концепцията за линии на полето и поток на напрежение dN0= DdScos(α)

Формула на Остроградски - формула, която изразява потока на векторно поле през затворена повърхност чрез интеграла на дивергенцията (доколко входящият и изходящият поток се разминават) на това поле върху обема, ограничен от тази повърхност: т.е. интегралът на дивергенцията на векторно поле, разширено върху определен обем T, е равен на потока на вектора през повърхността S, ограничаваща този обем.

Приложение на теоремата на Гаус за изчисляване на някои електрически полета във вакуум.

а) Поле на безкрайно дълга нишка

модул на напрегнатостта на полето, създадено от равномерно заредена безкрайно дълга нишка на разстояние R от нея,

б) поле на равномерно заредена безкрайна равнина

Нека σ е повърхностната плътност на заряда на равнината

в) полето на две еднакво заредени противоположни равнини

г) поле на равномерно заредена сферична повърхност

Потенциал на електрическото поле. Потенциална природа на електрическите полета.

Електростатичен потенциал (виж също потенциал на Кулон) - скаларна енергийна характеристика на електростатично поле, характеризираща потенциалната енергия на полето, притежавана от единичен заряд, поставен в дадена точка на полето. Електростатичният потенциал е равен на съотношението на потенциалната енергия на взаимодействие на заряд с поле към големината на този заряд: J/C

Потенциална природа на електрическите полета.

Взаимодействието между стационарни заряди се осъществява чрез електростатично поле: не зарядите взаимодействат, а един заряд на своето местоположение взаимодейства с полето, създадено от друг заряд. Това е идеята за действие с малък обсег – идеята за предаване на взаимодействия през материалната среда, през полето.

Работа по преместване на заряд в електрическо поле. Потенциална разлика.

Физическо количество, равно на съотношението на потенциалната енергия на електрически заряд в електростатично поле към големината на този заряд, се нарича потенциал

Когато пробният заряд q се движи в електрическо поле, електрическите сили действат работа . Тази работа за малка денивелация е равна на

Напрегнатостта на електрическото поле като потенциален градиент. Еквипотенциални повърхности.

Потенциален градиент равно на потенциалното увеличение на единица дължина и взето в посоката, в която това увеличение има най-голяма стойност.

Еквипотенциална повърхност е повърхността, върху която скаларният потенциал на дадено потенциално поле приема постоянна стойност. Друго, еквивалентно, определение е повърхност, която е ортогонална на линиите на полето във всяка точка.

Дипол в електрическо поле. Електричен диполен момент.

еднородно поле

Общият въртящ момент ще бъде равен на

нехомогенно външно поле

и тук възниква въртящ момент, завъртащ дипола по полето (фиг. 4). Но в този случай върху зарядите действат сили с различна величина, чийто резултат е различен от нула. Следователно диполът също ще се движи транслационно, като бъде привлечен в областта на по-силно поле

Електричен диполен момент

Видове диелектрици. Поляризация на диелектрици.

Неполярни диелектрик- вещество, съдържащо молекули с преобладаващо ковалентни връзки.

Полярен диелектрик- вещество, съдържащо диполни молекули или групи, или имащо йони в структурата си.

Сегнетоелектрик- вещество, съдържащо области със спонтанна поляризация.

Поляризация на диелектрици - изместване на положителните и отрицателните електрически заряди в диелектриците в противоположни посоки.

Електрическо поле в диелектрик. Вектор на поляризация. Уравнение на полето в диелектрик.

В диелектрика присъствието електрическо поле не пречи на баланса на таксите. Силата, действаща върху зарядите в диелектрика от електрическото поле, се балансира от вътрешномолекулни сили, които задържат зарядите в молекулата на диелектрика, така че е възможно равновесие на заряда в диелектрика, въпреки наличието на електрическо поле.

Вектор на електрическа поляризация е диполният момент на единица обем на диелектрика.

Уравнение на полето в диелектрик

където r е плътността на всички електрически заряди

Диелектрична чувствителност на веществото. Връзката му с диелектричната проницаемост на средата.

Диелектрична чувствителност на веществото - физическа величина, мярка за способността на веществото да се поляризира под въздействието на електрическо поле. Диелектричната чувствителност χe е линейният коефициент на свързване между поляризацията на диелектрика P и външното електрическо поле E в достатъчно малки полета: В системата SI: където ε0 е електрическата константа; продуктът ε0χe се нарича абсолютна диелектрична чувствителност в системата SI.

Сегнетоелектрици. Техните характеристики. Пиезо ефект.

сегнетоелектрици, кристални диелектрици, които имат спонтанна (спонтанна) поляризация в определен температурен диапазон, която се променя значително под въздействието на външни въздействия.

Пиезоелектричен ефект - ефектът на диелектричната поляризация под въздействието на механично напрежение

Проводници в електрическо поле. Разпределение на зарядите в проводник.

Ε = Евн. - Евн. = 0

Нека въведем проводяща плоча в електрическо поле, нека наречем това поле външно .

В резултат на това лявата повърхност ще има отрицателен заряд, а дясната повърхност ще има положителен заряд. Между тези заряди ще възникне собствено електрическо поле, което ще наречем вътрешно. Вътре в плочата ще има едновременно две електрически полета - външно и вътрешно, противоположни по посока.

Електрически капацитет на проводниците. Кондензатор. Свързване на кондензатори.

Електрически капацитет - физическа величина, числено равна на количеството заряд, което трябва да се придаде на даден проводник, за да се увеличи потенциалът му с единица.

Кондензатор - устройство за натрупване на заряд и енергия на електрическо поле.

паралелно свързани

свързани серии

Енергия на зареден проводник, кондензатор. Енергия на електрическото поле. Обемна енергийна плътност на електричното поле.

Енергия на зареден проводник равна на работата, която трябва да се извърши, за да се зареди този проводник:

Енергия на зареден кондензатор

Енергия на електростатичното поле

Обемна енергийна плътност на електростатичното поле

16. Напрегнатост и плътност на електрическото поле. ЕМП. Волтаж.

Текуща сила - скаларно физическо количество, определено от съотношението на заряда Δq, преминаващ през напречното сечение на проводника за определен период от време Δt към този период от време.

Плътност на тока j е векторна физична величина, чийто модул се определя от съотношението на тока I в проводника към площта на напречното сечение S на проводника.

Електродвижеща сила (ЕМП) - физическо количество, характеризиращо работата на външни (непотенциални) сили в източници на постоянен или променлив ток. В затворена проводяща верига ЕМП е равна на работата на тези сили за преместване на един положителен заряд по веригата.

Електрическо напрежение - физическо количество, чиято стойност е равна на съотношението на работата на електрическото поле, извършена при прехвърляне на тестов електрически заряд от точка А до точка Б към стойността на тестовия заряд.

17. Закон на Ом за хомогенен участък от верига. Закон на Ом за нееднородна област в интегрална форма. Закон на Ом за пълна верига.

сила на тока I в хомогенен метален проводник е право пропорционална на напрежението U в краищата на този проводник и обратно пропорционална на съпротивлението R на този проводник

Закон на Ом за нееднороден участък от верига в интегрална форма IR = (φ1 - φ2) + E12

Закон на Ом за пълна верига :

18. Диференциална форма на закона на Ом.

j-плътност на тока, σ - специфична електрическа проводимост на веществото, от което е направен проводникът Est-поле на външни сили

19. Закон на Джаул-Ленц в интегрална и диференциална форма.

в диференциална форма:

плътност на топлинната мощност -

в интегрална форма:

20. Нелинейни елементи. Методи за изчисление с нелинейни елементи. Правилото на Кирхоф.

нелинейни се наричат ​​електрически вериги, в които реакциите и ефектите са свързани нелинейно.

Метод на проста итерация

1. Първоначалното нелинейно уравнение на електрическата верига, където е желаната променлива, е представено във формата .

2. Изчисляването се извършва съгласно алгоритъма Където

Стъпка на итерация. Линейни зависимости

Ето посочената грешка

Първото правило на Кирхоф:

алгебричната сума на силите на тока, събиращи се във възел, е равна на нула

Второто правило на Кирхоф:

във всяка проста затворена верига, произволно избрана в разклонена електрическа верига, алгебричната сума на продуктите на силата на тока и съпротивлението на съответните секции е равна на алгебричната сума на емфс, присъстващи във веригата

21. Ток във вакуум. Емисионни явления и техните технически приложения.

Вакуумът е състояние на газ в съд, при което молекулите летят от една стена на съда към друга, без изобщо да се сблъскват една с друга.

Вакуумен изолатор, ток в него може да възникне само поради изкуственото въвеждане на заредени частици; за тази цел се използва емисия (емисия) на електрони от вещества. Термоелектронната емисия възниква във вакуумни тръби с нагрети катоди, а фотоелектронната емисия възниква във фотодиод.

Термионна емисия е излъчването на електрони от нагретите метали. Концентрацията на свободни електрони в металите е доста висока, следователно дори при средни температури, поради разпределението на скоростите (енергиите) на електроните, някои електрони имат достатъчна енергия, за да преодолеят потенциалната бариера на металната граница. С повишаване на температурата броят на електроните, чиято кинетична енергия на топлинно движение е по-голяма от работната функция, се увеличава и явлението термоелектронна емисия става забележимо.

Феноменът на термоелектронната емисия се използва в устройства, в които е необходимо да се получи поток от електрони във вакуум, например във вакуумни тръби, рентгенови тръби, електронни микроскопи и др. Електронните тръби се използват широко в електротехниката и радиотехниката , автоматика и телемеханика за изправяне на променливи токове, усилване на електрически сигнали и променливи токове, генериране на електромагнитни трептения и др. В зависимост от предназначението в лампите се използват допълнителни управляващи електроди.

Фотоелектронна емисия е излъчването на електрони от метал под въздействието на светлина, както и късовълново електромагнитно излъчване (например рентгенови лъчи). Основните принципи на това явление ще бъдат обсъдени при разглеждането на фотоелектричния ефект.

Вторична електронна емисия - е излъчването на електрони от повърхността на метали, полупроводници или диелектрици, когато са бомбардирани с лъч електрони. Вторичният електронен поток се състои от електрони, отразени от повърхността (еластично и нееластично отразени електрони), и „истински“ вторични електрони - електрони, избити от метала, полупроводника или диелектрика от първичните електрони.

Феноменът на вторичната емисия на електрони се използва във фотоумножителните тръби.

Емисия на превозното средство е излъчването на електрони от повърхността на металите под въздействието на силно външно електрическо поле. Тези явления могат да се наблюдават в евакуираната тръба.

22. Ток в газове. Независима и независима проводимост на газовете. CVC на тока в газове. Видове разряди и тяхното техническо приложение.

При нормални условия газовете са диелектрици, т.к се състоят от неутрални атоми и молекули и нямат достатъчен брой свободни заряди. За да направите газ проводим, трябва да въведете или създадете свободни носители на заряд - заредени частици - в него по един или друг начин. В този случай са възможни два случая: или тези заредени частици се създават от действието на някакъв външен фактор или се въвеждат в газа отвън, или се създават в газа от действието на самото електрическо поле, съществуващо между електродите . В първия случай проводимостта на газа се нарича независима, във втория - независима.

Характеристика ток-напрежение (волт-амперна характеристика ) - графика на зависимостта на тока през двуполюсна мрежа от напрежението на тази двуполюсна мрежа. Характеристиката ток-напрежение описва поведението на двуполюсна верига при постоянен ток.

Светещ разряд наблюдавани при ниско налягане на газа. Използва се за катодно разпрашване на метали.

Искров разряд често наблюдавана в природата е мълния. Принципът на работа на искровия волтметър е устройство за измерване на много високо напрежение.

Дъгов разряд може да се наблюдава при следните условия: ако след запалване на искровия разряд съпротивлението на веригата постепенно намалява, тогава силата на тока в искрата ще се увеличи. Електрическата дъга е мощен източник на светлина и се използва широко в прожекционни, прожекторни и други осветителни инсталации. Поради високата си температура, дъгата се използва широко за заваряване и рязане на метали. Високите температури на дъгата се използват и при конструирането на електродъгови пещи, които играят важна роля в съвременната електрометалургия.

Коронен разряд наблюдавани при относително високо налягане на газа (например при атмосферно налягане) в рязко нехомогенно електрическо поле. Използва се в технологията за инсталиране на електрически филтри, предназначени за пречистване на промишлени газове от твърди и течни примеси.

23. Магнитно поле. Магнитна индукция. Магнитно взаимодействие на токовете.

Магнитно поле - силово поле, действащо върху движещи се електрически заряди и върху тела с магнитен момент, независимо от състоянието на тяхното движение, магнитната компонента на електромагнитното поле.

Магнитна индукция - векторно количество, което е силова характеристика на магнитното поле (действието му върху заредени частици) в дадена точка на пространството. Определя силата, с която магнитното поле действа върху заряд, движещ се със скорост.

Взаимодействие на токовете се причинява от техните магнитни полета: магнитното поле на един ток действа като сила на Ампер върху друг ток и обратно.

24. Магнитен момент на кръгов ток. Закон на Ампер.

Магнитен момент на кръгов ток силата на тока I, протичащ по намотката, площта S, обиколена от тока, и ориентацията на намотката в пространството, определена от посоката на единичния вектор, нормален към равнината на намотката.

Закон на Ампер законът за механично (пондеромоторно) взаимодействие на два тока, протичащи в малки участъци от проводници, разположени на известно разстояние един от друг.

25. Законът на Био-Савар-Лаплас и приложението му за изчисляване на определени магнитни полета:

А) магнитно поле на прав проводник, по който тече ток.

B) полето на кръговия ток в центъра на кръговия ток.

Закон на Био-Савар-Лаплас за проводник с ток I, чийто елемент dl създава индукция на полето dB в дадена точка A, се записва във формата където dl е вектор, равен по модул на дължината dl на проводниковия елемент и съвпадащ по посока с тока, r е радиус векторът, преминал от проводниковия елемент dl до точка А на полето, r е модулът на радиус вектора r.

магнитна индукция на полето с прав ток

индукция на магнитно поле в центъра на кръгъл проводник, по който протича ток

26. Циркулация на магнитна индукция. Вихров характер на магнитния ток. Законът за пълния ток във вакуум (теорема за циркулацията на индукционния вектор).

Магнитна индукционна циркулация където dl е векторът на елементарната дължина на контура, който е насочен по байпаса на веригата, Bl=Bcosα е компонентът на вектора B в допирателната посока към контура (като се вземе предвид изборът на посоката на байпаса на веригата ), α е ъгълът между векторите B и dl.

Вихров характер на магнитното поле.

Линиите на магнитната индукция са непрекъснати: те нямат нито начало, нито край. Това се случва за всяко магнитно поле, причинено от всякакви тоководещи вериги. Векторните полета с непрекъснати линии се наричат ​​вихрови полета. Виждаме, че магнитното поле е вихрово поле. Това е съществената разлика между магнитното поле и електростатичното.

Законът за общия ток за магнитно поле във вакуум (теоремата за циркулацията на вектор B): циркулацията на вектор B по произволна затворена верига е равна на произведението на магнитната константа μ0 от алгебричната сума на обхванатите токове по тази верига:

27. Приложение на закона за пълния ток за изчисляване на магнитното поле на соленоид.

Пръстенова магнитна верига

1 и съвпадат, следователно α = 0;

2 стойността на Hx е еднаква във всички точки на контура;

3, сумата от токовете, преминаващи през веригата, е равна на IW.

[A/m],

където Lx е дължината на контура, по който е извършено интегрирането;

rx – радиус на окръжността.

Векторът вътре в пръстена зависи от разстоянието rх. Ако α е ширината на пръстена

Hav = IW / L,

където L е дължината на средната магнитна линия.

28. Магнитен поток. Теорема на Гаус за потока на вектора на магнитната индукция.

Магнитен поток - поток като интеграл от вектора на магнитната индукция през крайна повърхност. Определя се чрез повърхностния интеграл

В съответствие с теоремата на Гаус за магнитната индукция, потокът на вектора на магнитната индукция през всяка затворена повърхност е нула:

29. Работа по преместване на проводник и верига с ток в магнитно поле.

работа по преместване на затворен контур с ток в магнитно поле е равно на произведението на тока във веригата и промяната в магнитния поток, свързан към веригата.

30. Сила на Лоренц. Движение на заредени частици в магнитно поле. Ускорители на заредени частици в магнитно поле.

Сила на Лоренц - силата, с която електромагнитното поле действа върху точково заредена частица. v-скорост на частицата

. Движение на заредени частици в магнитно поле

Основата на работата на ускорителя включва взаимодействието на заредени частици с електрически и магнитни полета. Електрическото поле може директно да извърши работа върху частица, тоест да увеличи нейната енергия. Магнитното поле, създаващо силата на Лоренц, само отклонява частицата, без да променя нейната енергия, и задава орбитата, по която се движат частиците.

31. Явлението електромагнитна индукция. Закон на Фарадей. Правилото на Ленц.

Електромагнитна индукция - феноменът на възникване на електрически ток в затворена верига, когато магнитният поток, преминаващ през него, се променя.

Закон на Фарадей

Правилото на Ленц , правило за определяне на посоката на индукционния ток: Индукционният ток, възникващ от относителното движение на проводящата верига и източника на магнитно поле, винаги има такава посока, че собственият му магнитен поток компенсира промените във външния магнитен поток, които предизвика този ток.

32. Едс на индукция. Закон за електромагнитната индукция.

Електродвижеща сила (EMF) е физическа величина, която характеризира работата на външни (непотенциални) сили в източници на постоянен или променлив ток. В затворена проводяща верига ЕМП е равна на работата на тези сили за преместване на един положителен заряд по веригата.

ЕМП може да се изрази чрез силата на електрическото поле на външните сили (Eex). В затворен контур (L) тогава ЕМП ще бъде равна на: , където dl е елементът на дължината на контура.

Закон за електромагнитната индукция електронна поща ток във верига е възможен, ако външни сили действат върху свободните заряди на проводника. Работата, извършена от тези сили за преместване на единичен положителен заряд по затворен контур, се нарича емф. Когато магнитният поток се променя през повърхността, ограничена от контура, във веригата се появяват външни сили, чието действие се характеризира с индуцирана емф.

33. Самоиндукция. Индуктивност.

Самоиндукция - възбуждане на електродвижещата сила на индукция (emf) в електрическа верига, когато електрическият ток в тази верига се промени; специален случай на електромагнитна индукция. Електродвижещата сила на самоиндукция е право пропорционална на скоростта на промяна на тока

Индуктивност (от латински inductio - насочване, мотивация), физическа величина, характеризираща магнитните свойства на електрическа верига. Токът, протичащ в проводяща верига, създава магнитно поле в околното пространство, а магнитният поток Ф, проникващ във веригата (свързан с нея), е право пропорционален на силата на тока I:

34. Феноменът на взаимната индукция. Коефициент на взаимна индукция.

Феноменът на взаимната индукция наречена индукция на ЕМП в една верига, когато токът се промени в друга.

Ф21 = M21I1 Коефициент М21 се нарича взаимна индуктивност втората верига в зависимост от първата.

35. Енергия на магнитното поле. Плътност на енергията на магнитното поле.

Енергия на магнитното поле

Плътност на енергията на магнитното поле (Н-сила на магнитното поле).

36. Магнитни свойства на материята. Намагнитване на материята. Теорема на Гаус за индукция на магнитно поле.

от магнитни свойства всички вещества могат да бъдат разделени на три класа:

вещества с изразени магнитни свойства - феромагнитни; тяхното магнитно поле се забелязва на значителни разстояния

парамагнитни; техните магнитни свойства като цяло са подобни на тези на феромагнитните материали, но много по-слаби

диамагнитни вещества - те се отблъскват от електромагнит, т.е. силата, действаща върху диамагнитните материали, е насочена противоположно на тази, действаща върху феро- и парамагнитните материали.

намагнитване на материята

Теорема на Гаус за магнитна индукция

Потокът на вектора на магнитната индукция през всяка затворена повърхност е нула:

или в диференциална форма:

Това е еквивалентно на факта, че в природата няма „магнитни заряди“ (монополи), които биха създали магнитно поле, точно както електрическите заряди създават електрическо поле. С други думи, теоремата на Гаус за магнитната индукция показва, че магнитното поле е (напълно) вихрово.

37. Сила на магнитното поле. Теорема за циркулацията на вектора на напрегнатостта на магнитното поле.

Сила на магнитното поле - (стандартно обозначение H) е векторна физическа величина, равна на разликата между вектора на магнитната индукция B и вектора на намагнитване M.

, където μ0 е магнитната константа

Теорема за циркулацията на вектора на силата на магнитното поле:

Циркулацията на магнитното поле на постоянен ток по всяка затворена верига е пропорционална на сумата от силите на тока, проникващи в циркулационната верига.

38. Закон за пълния ток в материята.

общо действащо право : Циркулацията на вектора на силата на магнитното поле по всяка затворена верига L е равна на алгебричната сума на макротоковете, обхванати от веригата.

39. Магнитна възприемчивост и магнитна проницаемост на материята.

Магнитната проницаемост е физична величина, която характеризира връзката между магнитната индукция B и силата на магнитното поле H в дадено вещество.

40. Диа-, пара- и феромагнетици.

СМ. №36

41. Електромагнитни трептения в колебателен кръг. Формула на Томсън.

Резонансната честота на веригата се определя от така наречената формула на Томсън

Формула на Томсън

42. Уравнение на Максуел в интегрална форма.

Използвайки формулите на Остроградски-Гаус и Стокс, диференциалните уравнения на Максуел могат да бъдат дадени под формата на интегрални уравнения:

Закон на Гаус

Закон на Гаус за магнитното поле

Закон за индукцията на Фарадей

Работна функция

енергията, изразходвана за отстраняване на електрон от твърдо или течно тяло във вакуум. Преходът на електрона от вакуум в кондензирана среда се съпровожда от освобождаване на енергия, равна на R.v. Следователно R. v. е мярка за връзката на електрон с кондензирана среда; Колкото по-малък е RV, толкова по-лесно се получава излъчването на електрони. Следователно, например, плътността на тока на термоелектронна емисия (вижте Термионна емисия) или полева емисия (вижте Тунелна емисия) зависи експоненциално от R.V.

Р.в. най-пълно проучен за проводници, особено за метали (вижте Метали). Зависи от кристалографската структура на повърхността. Колкото по-плътно е "опаковано" кристалното лице, толкова по-висока е R.V. φ. Например за чист волфрам φ = 4,3 евза ръбове (116) и 5.35 евза лица (110). За металите увеличението (осреднено по лицата) φ приблизително съответства на увеличаване на йонизационния потенциал. Най-малката R.v. (2 ев) са характерни за алкалните метали (Cs, Rb, K), а най-големите (5.5 ев) - метали от Pt групата.

Р.в. чувствителни към дефекти на повърхностната структура. Наличието на собствени неподредени атоми върху плътно опаковано лице намалява φ. φ зависи още по-рязко от повърхностните примеси: електроотрицателни примеси (кислород, халогени, метали с φ , по-голяма от φ на субстрата) обикновено увеличават φ, а електроположителните - намаляват. За повечето електроположителни примеси (Cs върху W, Tn върху W, Ba върху W) се наблюдава намаляване на RV, което достига при определена оптимална концентрация на примеси н opt минимална стойност, по-ниска от φ на основния метал; при н≈ 2нтърговия на едро R.v. става близо до φ на метала на покритието и не се променя повече (виж. ориз. ). Размер н opt съответства на подреден слой от примесни атоми, съответстващ на структурата на субстрата, като правило, със запълнени всички свободни места; и магнитуд 2 н opt - плътен моноатомен слой (координацията със структурата на субстрата е нарушена). T. o., R. v. поне за материали с метална електропроводимост се определя от свойствата на тяхната повърхност.

Електронната теория на металите разглежда R. v. като работата, необходима за отстраняване на електрон от нивото на Ферми във вакуум. Съвременната теория все още не ни позволява да изчислим точно φ за дадени структури и повърхности. Основна информация за стойностите на φ се предоставя чрез експеримент. За определяне на φ се използват емисионни или контактни явления (вижте Контактна потенциална разлика).

Познаването на Р.в. от съществено значение при проектирането на електровакуумни устройства (Вижте Електровакуумни устройства), където се използва емисия на електрони или йони, както и в устройства като термоелектронни преобразуватели на енергия (Вижте Термионен преобразувател).

Лит.:Добрецов Л.Н., Гомоюнова М.В., Емисионна електроника, М., 1966; Зандберг Е. Я., Йонов Н. И., Повърхностна йонизация, М., 1969.

В. Н. Шредник.

Велика съветска енциклопедия. - М.: Съветска енциклопедия. 1969-1978 .

Вижте какво е „работа работа“ в други речници:

Разликата между минималната енергия (обикновено измерена в електронволтове), която трябва да бъде придадена на електрона за неговото „директно“ отстраняване от обема на твърдото тяло, и енергията на Ферми. Тук „непосредственост“ означава, че електронът... ... Wikipedia

Енергията F трябва да се изразходва, за да се отстрани електрон от твърдо или течно тяло във вакуум (в състояние с нулева кинетична енергия). Р.в. Ф=еj, където j е потенциалът на НВ, e абс. електрическа стойност електронен заряд. Р.в. равно на разликата...... Физическа енциклопедия

работна функция- електрон; работа работа, съответстваща на енергийната разлика между нивото на химичния потенциал в тялото и потенциалното ниво близо до повърхността на тялото извън него при липса на електрическо поле... Политехнически терминологичен тълковен речник

Работата, необходима за отстраняване на електрон от кондензирано вещество във вакуум. Измерва се чрез разликата между минималната енергия на един електрон във вакуум и енергията на Ферми на електроните в тялото. Зависи от състоянието на повърхността... ... Голям енциклопедичен речник

РАБОТА РАБОТА, енергията, изразходвана за отстраняване на електрон от вещество. Взети предвид във ФОТОЕЛЕКТРИЧНИЯ ЕФЕКТ и в ТЕРМОЕЛЕКТРОНИКАТА... Научно-технически енциклопедичен речник

работна функция- Енергията, необходима за транспортиране до безкрайност на електрон, намиращ се в първоначалната си позиция на нивото на Ферми в даден материал. [GOST 13820 77] Теми: електровакуумни устройства... Ръководство за технически преводач

работна функция- енергията, изразходвана за отстраняване на електрон от твърдо или течно тяло във вакуум. Преходът на електрон от вакуум в кондензирана среда се придружава от освобождаване на енергия, равна на работата на работата; колкото по-ниска е работната функция, толкова... ... Енциклопедичен речник по металургия

работна функция- Работна функция Минималната енергия (обикновено измерена в електронволтове), която трябва да бъде изразходвана за отстраняване на електрон от обема на твърдото тяло. Електронът се отстранява от твърдо тяло през дадена повърхност и се придвижва към... Обяснителен англо-руски речник по нанотехнологии. - М.

Работата, необходима за отстраняване на електрон от кондензирано вещество във вакуум. Измерва се чрез разликата между минималната енергия на един електрон във вакуум и енергията на Ферми на електроните в тялото. Зависи от състоянието на повърхността... ... енциклопедичен речник

работна функция- išlaisvinimo darbas statusas T sritis Стандартизация и метрология apibrėžtis Darbas, kurį atlieka 1 molis dalelių (atomų, molekulių, elektronų) pereidamas iš vienos fazės į kitą arba į vakuumą. атитикменис: англ. работна функция vok.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

работна функция- išlaisvinimo darbas statusas T sritis fizika atitikmenys: англ. работна функция; работа на емисиите; работа на изход вок. Ablösearbeit, f; Auslösearbeit, f; Austrittsarbeit, е рус. работна функция, f пранц. travail de sortie, m … Fizikos terminų žodynas

Нека разгледаме ситуацията: заряд q 0 влиза в електростатично поле. Това електростатично поле също се създава от някакво заредено тяло или система от тела, но това не ни интересува. Върху заряда q 0 от полето действа сила, която може да извърши работа и да премести този заряд в полето.

Работата на електростатичното поле не зависи от траекторията. Работата, извършена от полето, когато заряд се движи по затворен път, е нула. Поради тази причина се наричат ​​силите на електростатичното поле консервативен, а самото поле се нарича потенциал.

потенциал

Системата "заряд - електростатично поле" или "заряд - заряд" има потенциална енергия, така както системата "гравитационно поле - тяло" има потенциална енергия.

Нарича се физична скаларна величина, характеризираща енергийното състояние на полето потенциалдадена точка в полето. Заряд q е поставен в поле, има потенциална енергия W. Потенциалът е характеристика на електростатично поле.

Нека си припомним потенциалната енергия в механиката. Потенциалната енергия е нула, когато тялото е на земята. И когато едно тяло се повдигне на определена височина, се казва, че тялото има потенциална енергия.

По отношение на потенциалната енергия в електричеството няма нулево ниво на потенциална енергия. Избира се на случаен принцип. Следователно потенциалът е относителна физическа величина.

В механиката телата са склонни да заемат позиция с най-малко потенциална енергия. В електричеството, под въздействието на силите на полето, положително зареденото тяло се стреми да се премести от точка с по-висок потенциал към точка с по-нисък потенциал, а отрицателно зареденото тяло, обратно.

Потенциалната енергия на полето е работата, извършена от електростатичната сила при преместване на заряд от дадена точка в полето до точка с нулев потенциал.

Нека разгледаме специалния случай, когато електростатично поле се създава от електрически заряд Q. За да се изследва потенциалът на такова поле, не е необходимо да се въвежда заряд q в него. Можете да изчислите потенциала на всяка точка в такова поле, разположена на разстояние r от заряда Q.

Диелектричната проницаемост на средата има известна стойност (таблична) и характеризира средата, в която съществува полето. За въздуха е равно на единица.

Потенциална разлика

Работата, извършена от поле за преместване на заряд от една точка в друга, се нарича потенциална разлика

Тази формула може да бъде представена и в друга форма

Еквипотенциална повърхност (линия)- повърхност с равен потенциал. Работата, извършена за преместване на заряд по еквипотенциална повърхност, е нула.

Волтаж

Потенциалната разлика също се нарича електрическо напрежениепри условие че не действат външни сили или ефектът им може да се пренебрегне.

Напрежението между две точки в еднородно електрическо поле, разположени по една и съща линия на интензитет, е равно на произведението на модула на вектора на напрегнатост на полето и разстоянието между тези точки.

Токът във веригата и енергията на заредената частица зависят от напрежението.

Принцип на суперпозиция

Потенциалът на поле, създадено от няколко заряда, е равен на алгебричната (като се вземе предвид знакът на потенциала) сума от потенциалите на полетата на всяко поле поотделно

При решаването на проблеми възниква много объркване при определяне на знака на потенциала, потенциалната разлика и работата.

Фигурата показва линии на напрежение. В коя точка на полето потенциалът е по-голям?

Правилният отговор е точка 1. Нека си припомним, че линиите на напрежение започват с положителен заряд, което означава, че положителният заряд е отляво, следователно най-лявата точка има максимален потенциал.

Ако се изследва поле, създадено от отрицателен заряд, тогава потенциалът на полето в близост до заряда има отрицателна стойност; това може лесно да се провери, ако във формулата се замени заряд със знак минус. Колкото по-далеч от отрицателния заряд, толкова по-голям е потенциалът на полето.

Ако положителен заряд се движи по линиите на напрежение, тогава потенциалната разлика и работата са положителни. Ако отрицателен заряд се движи по линиите на напрежение, тогава потенциалната разлика има знак "+", а работата има знак "-".