Термоэлектронная эмиссия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Термоэлектро́нная эми́ссия (эффе́кт Ричардсо́на, эффект Эдисо́на) — явление выхода электронов из твёрдого тела, металла или карбидов или боридов переходных металлов в свободное пространство, обычно в вакуум или разрежённый газ при нагреве его до высокой температуры. Заметная эмиссия электронов наблюдается при нагреве чистых металлов только до температур свыше 900 К.

История открытия[править | править код]

Термоэлектронная эмиссия в электровакуумном диоде. При подаче положительного напряжения на анод через вакуум между катодом и анодом протекает электрический ток, при обратной полярности напряжения тока нет. Стрелками показано направление движения электронов, направление тока обратно направлению движения электронов.

Впервые об этом явлении сообщил Эдмонд Беккерель в 1853 году[1][2].

Явление было вновь открыто в 1873 году Фредериком Гатри[en] в Великобритании[3]. Во время работы с заряженными телами Гатри обнаружил, что раскаленный железный шар теряет свой заряд если он заряжен отрицательно, но положительно заряженный шар заряд не теряет[4].

Также это явление изучали Иоганн Гитторф (1869—1883)[5], Ойген Гольдштейн (1885)[6], Юлиус Эльстер[en] и Ганс Гейтель[en] (1882—1889)[7].

Эффект был вновь открыт Томасом Эдисоном 13 февраля 1880 года. В своих опытах Эдисон пытался выяснить причину преждевременного перегорания нитей накала и образования темного налёта на стекле колбы с её внутренней стороны вблизи положительного электрода нити в создаваемой им лампе накаливания. Эдисон производил опыты с несколькими экспериментальными вакууммированными лампами накаливания с дополнительной металлической пластиной или листочком фольги внутри колбы, электрически изолированной от нити накаливания и имеющей дополнительный электрический вывод сквозь стекло колбы. В этих опытах Эдисон обнаружил, что если эта пластина имела положительный потенциал относительно нити накала, то через вакуум протекал заметный ток и ток отсутствовал, если потенциал пластины был отрицательный относительно нити накала, причем ток наблюдался только в том случае, если нить накала была достаточно сильно разогрета.

Это явление теперь объясняется испусканием электронов, которые являются отрицательно заряженными частицами, нагретыми телами. В описываемое время электрон ещё не был открыт, его открыл Джозеф Томсон в 1897 году и термин «электрон» не использовался при обсуждении экспериментов до открытия электрона.

Эдисон также обнаружил, что ток от нагретой нити быстро увеличивался с ростом напряжения накала и подал заявку на патент 15 ноября 1883 года на устройство для регулирования напряжения с использованием эффекта (патент США 307 031), считается, что это первый патент США на электронное устройство[8].

Несколько экземпляров ламп накаливания с демонстрацией эффекта Эдисон представил на Международной электрической выставке в Филадельфии в сентябре 1884 года. Британский ученый Уильям Прис, посетивший выставку забрал с собой несколько таких ламп для изучения явления. После их изучения он подготовил в 1885 году доклад, в котором назвал термоэлектронную эмиссию «эффектом Эдисона»[9][10].

Затем британский физик Джон Амброз Флеминг, работавший в британской компании «Wireless Telegraphy», обнаружил, что эффект Эдисона может использоваться для детектирования радиоволн. Флеминг продолжил разработку двухэлектродной вакуумной лампы, теперь известной как электровакуумный диод, на которую получил патент 16 ноября 1904 года[11].

Физика явления[править | править код]

Для выхода электрона из металла во внешнее пространство ему необходимо придать некоторую энергию, называемую работой выхода электрона — преодолеть потенциальный барьер.

Концентрация свободных электронов в металлах достаточно высока, поэтому даже при средних температурах вследствие распределения электронов по скоростям (по энергии) некоторые электроны обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера на границе металла. При комнатной температуре доля таких электронов очень мала и ток термоэлектронной эмиссии неизмеримо мал. С повышением температуры число электронов, кинетическая энергия теплового движения которых больше работы выхода быстро растёт, и явление термоэлектронной эмиссии становится заметным.

Исследование закономерностей термоэлектронной эмиссии можно наблюдать с помощью простейшей двухэлектродной лампы — вакуумного диода, представляющего собой баллон из которого откачан газ, с размещёнными внутри него двумя электродами: катодом и анодом. В простейшем случае катодом может служить проволока из тугоплавкого металла (например, вольфрама), накаливаемая электрическим током. Анод чаще всего выполняют в виде полого металлического цилиндра, окружающего катод. Если между анодом и катодом приложить напряжение, то, при горячем катоде и подаче на анод положительного относительно катода напряжения, через промежуток между анодом и катодом начинает протекать ток. Если на анод подавать отрицательное относительно катода напряжение, то ток прекращается, как бы сильно катод ни нагревали. Из этого опыта следует, что нагретый катод испускает отрицательные частицы — электроны.

Если поддерживать температуру накалённого катода постоянной и построить зависимость анодного тока от анодного напряжения — вольт-амперную характеристику вакуумного диода, то оказывается, что она нелинейна, то есть для вакуумного диода закон Ома не выполняется.

Зависимость термоэлектронного тока от анодного напряжения в области малых положительных значений описывается законом трёх вторых (установлен русским физиком С. А. Богуславским и американским физиком И. Ленгмюром):

,
где  — коэффициент, зависящий от формы и размеров электродов, а также их взаимного расположения.

При увеличении анодного напряжения ток возрастает до некоторого максимального значения, называемого током насыщения и далее не увеличивается при последующем повышении напряжения на аноде. При этом практически все электроны, покидающие катод, поглощаются анодом, поэтому дальнейшее увеличение напряжённости поля между анодом и катодом не может привести к увеличению тока. Следовательно, плотность тока насыщения характеризует эмиссионную способность материала катода.

Термоэлектронный диод также может использоваться для преобразования разности температур в электроэнергию напрямую, без движущихся частей — термоэлектронный преобразователь, разновидность теплового двигателя.

Формула Ричардсона для плотности тока насыщения[править | править код]

Формула, первоначально полученная Ричардсоном на основе классической электронной теории металлов, а затем уточнённая русско-американским учёным С. Дэшманом (англ.) на основе квантовой теории, называется уравнением Ричардсона — Дешмана.

Плотность тока насыщения определяется формулой Ричардсона — Дешмана, выведенной теоретически на основе квантовой статистики[12]:

,
где  — усреднённое по спектру термоэлектронов значение коэффициента отталкивания электронов от потенциального барьера;
 — термоэлектрическая постоянная, равная в модели свободных электронов А. Зоммерфельда
 — работа выхода электронов из катода;
 — постоянная Больцмана;
и  — заряд и масса электрона;
 — постоянная Планка;
 — абсолютная температура.

Для практического применения эту формулу также записывают в виде[13]:

,
где  — постоянные для данного материала катода параметры, определяемые из опыта.

Уменьшение работы выхода приводит к быстрому увеличению плотности тока насыщения. Поэтому практически катоды из чистых металлов применяются редко и используют оксидные катоды (например, никель, покрытый тонким слоем оксидов щёлочноземельных металлов), работа выхода электронов у которых мала (1—1,5 эВ).

Эффект Шоттки при термоэлектронной эмиссии[править | править код]

Вид электростатического потенциала вблизи отрицательно заряженного электрода и снижение работы выхода за счёт эффекта Шоттки. Чёрная линия — потенциал без наложения внешнего поля; красная линия — потенциал от внешнего поля; синяя линия — потенциал электрона с одновременным учётом работы выхода и внешнего поля;  — расстояние от электрода с максимумом потенциала.
Основная статья: Эффект Шоттки

При наложении внешнего электростатического поля, силовые линии которого направлены к эмиттирующему электроду (катоду), то есть этот электрод имеет отрицательный потенциал относительно анода, наблюдается снижение работы выхода электронов из катода. Это явление называется эффектом Шоттки, получившее название в честь Вальтера Шоттки, рассмотревшему это явление. Приблизительное объяснение эффекта приведено на рисунке. Внешнее электрическое поле понижает работу выхода на величину . Электроны в металле имеют энергию равную энергии уровня Ферми , а электроны на бесконечном удалении от поверхности имеют энергию . Разность этих энергий — это работа выхода . Сумма сил притяжения к катоду и от внешнего поля имеет локальный максимум на расстоянии от катода, причём этот максимум имеет энергию ниже энергии выхода, что увеличивает термоэлектронную эмиссию. Эмиссия электронов, которая происходит в результате совместного действия эффекта Шоттки и термоэлектронной эмиссии часто называется «эмиссией Шоттки». Формулу для плотности тока термоэлектронной эмиссии с учётом эффекта Шоттки можно получить простой модификацией формулы Ричардсона, подставив в неё вместо энергию [14][15]:

Величина уменьшения работы выхода за счёт эффекта Шоттки даётся формулой:

где  — элементарный заряд;
 — напряжённость электрического поля;
 — диэлектрическая постоянная вакуума.

Эта формула даёт хорошее согласие с опытом при напряжённости электрического поля до примерно 108 В/м. Для напряженности электрического поля выше 108 В/м становится существенно туннелирование электронов через потенциальный барьер, так называемое туннелирование Фаулера — Нордхайма и при этом туннельный ток начинает вносить значительный вклад в общий ток эмиссии. В этом режиме эффекты усиленной полем термоэлектронной и туннельной эмиссии могут быть описаны уравнением Мерфи — Гуда[16]. В ещё более сильных полях туннелирование Фаулера — Нордхайма становится доминирующим механизмом электронной эмиссии, при этом катод работает в так называемом режиме «холодной электронной эмиссии» или «автоэлектронной эмиссии».

Термоэлектронная эмиссия также может усиливаться от других формам возбуждения поверхности катода, например, при облучении светом[17]. Так, возбужденные атомы цезия в парах в термоэмиссионных преобразователях образуют активные центры Cs- Ридберга[en], которые приводят к уменьшению работы выхода с 1,5 эВ до 1,0—0,7 эВ. Эти центры имеют большое время жизни и работа выхода остается низкой, что существенно повышает эффективность термоэмиссионного преобразователя[18].

Применение явления[править | править код]

На явлении термоэлектронной эмиссии основана работа всех вакуумных электронных приборов и электронно-лучевых приборов, электронно-лучевой технологии, электронных микроскопах, термоэмиссионных преобразователей энергии.

Примечания[править | править код]

  1. Paxton, William THERMIONIC ELECTRONEMISSION PROPERTIES OF NITROGEN-INCORPORATED POLYCRYSTALLINE DIAMOND FILMS. Дата обращения 22 ноября 2016. Архивировано 23 ноября 2016 года.
  2. Thermionic power converter. Encyclopedia Britannica. Дата обращения 22 ноября 2016. Архивировано 23 ноября 2016 года.
  3. См. например:
  4. Richardson O. W. Thermionic Emission from Hot Bodies (неопр.). — Wexford College Press, 2003. — С. 196. — ISBN 978-1-929148-10-3.
  5. См. например:
  6. E. Goldstein (1885) «Ueber electrische Leitung in Vacuum» Архивировано 13 января 2018 года. (On electric conduction in vacuum) Annalen der Physik und Chemie, 3rd series, 24 : 79—92.
  7. См. например:
  8. Edison, Thomas A., "Electrical indicator", US 307031, published November 15, 1883, issued October 21, 1884
  9. Preece, William Henry. On a peculiar behaviour of glow lamps when raised to high incandescence (англ.) // Proceedings of the Royal Society of London : journal. — 1885. — Vol. 38, no. 235—238. — P. 219—230. — doi:10.1098/rspl.1884.0093. Архивировано 26 июня 2014 года. Preece coins the term the «Edison effect» on page 229.
  10. Josephson M. Edison (неопр.). — McGraw-Hill Education, 1959. — ISBN 978-0-07-033046-7.
  11. См. например:
    • Provisional specification for a thermionic valve was lodged on November 16, 1904. In this document, Fleming coined the British term «valve» for what in North America is called a «vacuum tube»: «The means I employ for this purpose consists in the insertion in the circuit of the alternating current of an appliance which permits only the passage of electric current in one direction and constitutes therefore an electrical valve».
    • Fleming, John Ambrose, "Improvements in instruments for detecting and measuring alternating electric currents", GB 190424850, published August 15, 1905, issued September 21, 1905
    • Fleming, John Ambrose, "Instrument for converting alternating electric currents into continuous currents", US 803684, published April 29, 1905, issued November 7, 1905
  12. Фридрихов С. А., Мовнин С. М. Глава 10. Физические основы эмиссионной электроники // Физические основы электронной техники. — М.: Высшая школа, 1982. — С. 434—435. — 608 с.
  13. Зиновьев В. А. Краткий технический справочник. Том 1. — М.-Л. Техтеориздат, 1949. — c. 183
  14. Kiziroglou M. E.; Li X.; Zhukov A. A.; De Groot P. A. J.; De Groot C. H. Thermionic field emission at electrodeposited Ni-Si Schottky barriers (англ.) // Solid-State Electronics : journal. — 2008. — Vol. 52, no. 7. — P. 1032—1038. — doi:10.1016/j.sse.2008.03.002. — Bibcode2008SSEle..52.1032K.
  15. Orloff, J. Schottky emission // Handbook of Charged Particle Optics (неопр.). — 2nd. — CRC Press, 2008. — С. 5—6. — ISBN 978-1-4200-4554-3.
  16. Murphy E. L.; Good G. H. Thermionic Emission, Field Emission, and the Transition Region (англ.) // Physical Review : journal. — 1956. — Vol. 102, no. 6. — P. 1464—1473. — doi:10.1103/PhysRev.102.1464. — Bibcode1956PhRv..102.1464M.
  17. Mal'Shukov A. G.; Chao K. A. Opto-Thermionic Refrigeration in Semiconductor Heterostructures (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 2001. — Vol. 86, no. 24. — P. 5570—5573. — doi:10.1103/PhysRevLett.86.5570. — Bibcode2001PhRvL..86.5570M. — PMID 11415303.
  18. Svensson R.; Holmlid L. Very low work function surfaces from condensed excited states: Rydber matter of cesium (англ.) // Surface Science : journal. — 1992. — Vol. 269/270. — P. 695—699. — doi:10.1016/0039-6028(92)91335-9. — Bibcode1992SurSc.269..695S.

Литература[править | править код]

  • Херинг К., Никольс М. Термоэлектронная эмиссия. — М.: Издательство иностранной литературы, 1950. — 196 с.

Ссылки[править | править код]