Л12 Эмиссионные явления. Газовый разряд стр. 9 из 9

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Липецкий государственный технический университет

Кафедра

физики и биомедицинской техники

«Утверждаю» Заведующий кафедрой _________________ С.И. Шарапов «____»___________ 2010 г.

Лекция № 12

раздел «Электричество и магнетизм»

учебного курса «Общая физика»

для специальностей ЛП, СП, ЧМ, ХТ

(2 семестр изучения)

Постоянный ток

Работа выхода электронов из металла

Эмиссионные явления

Электрический ток в вакууме

Электронная лампа – диод

Ионизация газов

Электрический ток в газе

Газовый разряд

Вольт-амперная характеристика газового разряда

Процессы ионизации и рекомбинации

Понятие о плазме

Составитель: _____________ Еремеев Б.Н.

Липецк – 2010

Постоянный электрический ток

12.1. Работа выхода электронов из металла

~ работа, необходимая для выхода электрона из металла в вакуум.

Свободные электроны при обычных температурах, как правило, не покидают поверхность металла, следовательно, в поверхностном слое существует поле, которое препятствует вылету электронов из металла.

При вылете электрона из металла металл заряжается положительно. Таким образом, на вылетевший электрон действует сила притяжения со стороны металла. Любой электрон, вылетевший из металла, испытывает действие отталкивания со стороны электронов, вылетевших ранее (см. рис.).

Таким образом, вблизи поверхности металла создается двойной электронный слой толщиной 10^-9-10^-10 м. Он не создает электрическое поле в окружающем пространстве, но препятствует вылету электронов из металла. То есть, при вылете электрона, он должен преодолеть действие задерживающего слоя.

Д ля этого нужно совершить работу – работу выхода электронов из металла. Она зависит от рода металла, а также от качества поверхности. Разность потенциалов, возникающая вблизи поверхности металла, называется поверхностным скачком потенциала

, где - заряд электрона.

Работа выхода измеряется в электрон-вольтах.

Один электрон-вольт – это внесистемная единица энергии, численно равная работе, которая совершается силами поля при перемещении электрона между двумя точками с разностью потенциалов 1 Вольт.

, а

12.2. Электронная эмиссия

~ явление испускания электронов из металлов при сообщении

электронам энергии, равной или большей работы выхода.

Если сообщить электронам в металле энергию, необходимую для преодоления работы выхода, то часть электронов может покинуть поверхность металла. В результате чего происходит явление, которое называется электронной эмиссией.

В зависимости от способа сообщения электронам энергии, различают

четыре вида эмиссии:

• термоэлектронная; фотоэлектронная; вторичная электронная; автоэлектронная.

1. Термоэлектронной эмиссией

~ называется явление испускания электронов нагретым металлом.

Концентрация электронов в металле достаточно высока, поэтому даже при не очень больших значениях t существуют электроны, которые могут покинуть поверхность металла. С увеличением температуры число таких электронов увеличивается и термоэлектронная эмиссия возрастает. Вспомним формулу для скорости теплового движения электронов:

2. Электронная лампа - диод

(как пример использования термоэлектронной эмиссии)

В вакуумном баллоне находятся два электрода: анод и подогреваемый катод. Анодное напряжение измеряется вольтметром и изменяется при помощи реостата R_А. Миллиамперметр измеряет анодный ток I_A.

I_A

I_A

Т_{к 2}

анод

I_{нас 2}

Т_{к 1}

I_{нас 1}

катод

U_A

0

+

Схема включения

Вольт-амперная характеристика

Реостатом R_н можно регулировать ток в цепи накала (регулировать температуру катода).

Даже при равном нулю анодном напряжении анодный ток не равен нулю. Это связано с тем, что у нагретого металла даже при равном нулю анодном напряжении существуют электроны, обладающие достаточной кинетической энергией, чтобы вырваться из катода и достичь анода.

По мере увеличения анодного напряжения все больше электронов вылетают из металла и достигают анода – анодный ток возрастает.

Начиная с некоторого напряжения Uп все электроды, вылетевшие из катода достигают анода и рост тока прекращается. Этот ток – ток насыщения.

Для предотвращения анодного тока необходимо подать на анод отрицательный потенциал по отношению к катоду. Значение этого напряжения U_зап – запирающее напряжение.

При малых положительных значениях U:

,

где В – константа, зависящая от рода металла.

Плотность тока насыщения:

,

где А – работа выхода электрона из металла,

Т – термодинамическая температура,

С – константа.

2. Фотоэлектронная эмиссия

~ испускание электронов под действием внешнего электромагнитного излучения. (под действием света, а также коротковолнового электромагнитного излучения, например, рентгеновского).

3. Вторичная электронная эмиссия

– испускание электронов поверхностью металла под действием пучка электронов, падающих на металл. Вторичный электронный пучок состоит из электронов, отраженных поверхностью металла и истинных вторичных электронов, которые выбиваются из поверхности металла.

Отношение числа вторичных электронов к числу первичных называется коэффициентом вторичной электронной эмиссии:

4. Автоэлектронная эмиссия

~ Эмиссия электронов с поверхности металлов под действием сильного внешнего электрического поля.

Ионизация газов

12.3. Самостоятельный и несамостоятельный газовые разряды

При не слишком высоких температурах и атмосферном давлении газ – хороший изолятор.

Газ становится проводником, когда некоторая часть его молекул ионизируется. При ионизации газа под действием какого-либо ионизатора происходит вырывание электронов из электронной оболочки атомов или молекул. Некоторые электроны могут присоединиться к нейтральным атомам, образуя отрицательные ионы.

Следовательно, при ионизации газа образуются положительные и отрицательные ионы и свободные электроны. Таким образом, газ становится проводником.

Прохождение электрического тока через газ называется газовым разрядом.

Ионизация газов может происходить под действием различных ионизаторов, например:

• сильное нагревание,

• электромагнитное излучение,

• потоки высокоэнергичных заряженных частиц.

Для того, чтобы выбить электрон из электронной оболочки атома или молекулы нужно затратить определенную энергию, которая называется энергией ионизации.

Значение энергии ионизации лежит в пределах от 1 до 30 эВ. Наряду с явлением ионизации всегда идет обратный процесс. так называемый процесс рекомбинации, то есть воссоединение положительных и отрицательных ионов и электронов. в результате которого образуются нейтральные атомы. процесс рекомбинации идет в отсутствии ионизатора.