Изследването на вакуум (епруветка) на диода

Функцията за работа

Метали, съставени от йони заемат места на кристалната решетка и на електроните валентните които, докато образуването на метал отделени от техните атоми и образуват така наречената електрон газ (или газове на свободни електрони).

Системата на електрони в метала, дори и при температури от хиляди градуса се дегенерира, тоест, поведението на тези електрони не се подчиняват на законите на класическата Нютоновата механика, и се подчинява на законите на квантовата механика. Въпреки това, за да обясни (поне на качеството) на определени свойства на много, много груб тук все още могат да се използват класическите закони.

Електроните могат да се движат свободно относително вътре в метала с висока скорост, но е свободен да напусне метал, те не могат - това е възпрепятствано от две основни причини.

всички металът е електрически неутрален. и ако внезапно отрицателно зареден електрон оставя, металната заряд и положителен заряд привлича електрона го е оставил, принуждавайки го да се върне. От микроскопичен гледна точка изглежда, че един електрон върху металната повърхност предизвиква отговаря за обратен знак. Произтичащи от тази сила възпрепятства електрон емисии се нарича електрическа сила на изображението.

електроните са много по-леки и по-бързи решетъчни йони, и следователно с нейното движение във вътрешността на метала са малко (по ред на interatomic разстоянието), излъчвана отвъд нейните граници. Над повърхността на метал, получен електронен атмосферата, в която плътността на електрон намалява бързо с разстояние от метала. Така под повърхност на металния слой остава положителни йони. Резултатът е така наречената електрическа двуслоен - нещо като кондензатор чийто положителен електрод се образува йони и отрицателно - взети от електрони извън тях. Този двоен слой образува никакъв електрическо поле е метал, но инхибира с движението си за преодоляване на тези електрони, като ги принуждава да си върши работата, а това пречи на тяхното заминаване от метал.

И двете от тези фактори върху степента на нейното проявление приблизително равно.

По този начин, един електрон може да напусне металните граници, е необходимо да се преодолее областта на електрическа сила на изображението и електрически двоен слой. просто като хвърлен от повърхността на тялото на планета, за да се преодолее гравитационното поле на планетата, за да го напуснат. За тази цел, този орган трябва да има енергия, съответстваща на втора космическа скорост. Изходящите електроните в метал трябва да бъде достатъчно висока енергия.

Количеството енергия. електрон трябва да има метал, за да излезете. Той призова работата функция.

Тя зависи от вида на метал: относително малък за алкални метали, и е достатъчно голям, за огнеупорни метали като волфрам или молибден. Изход от порядъка на работата на няколко електронволта.

катод емисии

За тръгване от електрона металната повърхност може да придобие необходимата енергия по различни начини. Най-често използваните са две:

а) емисиите фотоелектронна (или фотоефект) и
б) катод емисии.

Когато енергията емисии фотоелектронна необходимо за електрон емисии получава при облъчване с лек метал или друг електромагнитно излъчване.

Когато метал се нагрява катод емисии и топлинна енергия на движение може да бъде достатъчно, за да направи работа функция.

метали електрон емисии феномен при нагряване се нарича катод емисии.

Това явление е бил открит от Томас Едисон през 1883. За да се наблюдава катод емисията е удобно да се използва два електрода вакуумна тръба, наречена вакуум диод. Катодът (К) на лампата най-често използваните проводник (с нажежаема жичка) на огнеупорни метали (волфрам, молибден и т.н.), с нажежаема токов удар.

Анодът (А) обикновено има формата на метален цилиндър, която обгражда гореща катода (K). Ако диода, включени в схемата, показана по-горе, на ток не преминава през веригата на студен катод. Ако катода се нагрява до нажежаване, на miliampermetr показват наличието на ток. Когато полярността на батерията промяна на съществуващите спирки. Следователно, носителите за зареждане чрез вакуума са отрицателно заредени частици. т.е. електрони. тъй като не химически реакции в електродите не се случват по време на преминаването на катод ток.

Richardson формула

Строги термионични теория емисии метали могат да бъдат изградени само въз основа на квантовата механика. но се оказва, че сближаването на класическата теория описва това явление не е толкова лошо.

Нека електроните в метала не взаимодействат помежду си, т.е. те са идеален газ. Нека N - концентрация на електрони в метала, м - неговата маса, Т - абсолютна температура, к - Болцман константа, AO - експлоатация освобождаване.

Ако V - скорост на електрона, и Vx - му проекция на оста х (дори ако тази ос е перпендикулярна на повърхността на метал), тогава

Той представлява броя на електроните на единица обем с проекцията на скорост в обхвата до Vx Vx + DVX.
където F (VX) = (М / 2 КТ) 1/2 ехр (mvx2 / 2kT) - функция на разпределението на Максуел скорост на издатината.

От тези електрони за единица време ще летят само тези електрони, които се движат по повърхността (VX> 0) и са с него на разстояние не по-голямо от Vx, тоест, всички електрони от височината на цилиндъра Ux и база площ, равна част от зоната на метална повърхност. Ако вземем, с единична повърхност, броят на електроните е равен на

Ако ние се интегрира този израз над всички положителни стойности на скоростта на проекция VX като се започне от нула до безкрайност (т.е. сумата от всички електрони, плаващи на повърхността, а не от нея), получаваме броя на електроните, които са достигнали района на блок в секунда. Този номер е

Въпреки това, не всички от тези частици са в състояние да напусне метала, а само тези, които имат кинетичната energiyumv0 2 / 2b-голяма. от работата на AO изход. т.е. проекция skorostibolshuyu. от v0 = (2Avyh / т) 1/2.

Следователно, за да се изчисли броят на излъчвани електрони в секунда с един сайт А = N / (Т)]. Тя трябва да бъде интегрирана в рамките на не от нула, а от v0 до безкрайност. Това неделима може лесно да се изчисли, и получаваме:

насищане плътност на тока е количеството заряд излъчваната на единица площ на катода за една секунда, тъй като при насищане всички излъчвани електроните достигнат анода, т.е. jfill = д [N / (Т)] = д А.

Тази формула е известен като класически (т.е. не-квантовата) формула Ричардсън.

В зависимост от чувството за получаване на добър изглед, ако се върнем малко назад в начина на определяне на формулата, и извърши обратно изрази трансформация (1a).

В действителност, средната топлинна скоростта на електроните:
V = (8kT / т) 1/2. Като се има предвид този фактор, преди експоненциалната функция може да бъде представен, както следва:

Това означава, че общият размер на разходите приведени в момента на единица на единица площ от повърхността на метал е (1/4) NVE. където NV / 4 дава броя (поток) на електрони. От тези частици трябва да се разглежда само тези, които са били в състояние да преодолее потенциалната бариера и от метал. Тя е за този поток частици и умножен по коефициент
Exp (Avyh / КТ). Следователно, ние се

Обозначаващ от В '= п д (к / 2 m) 1/2. Ние получи от израза (1а) друго представяне формула Ричардсън

Горната графика вляво от J Т.

На пръв поглед може да изглежда, че нещо не е наред. В крайна сметка, в училище, ние знаем, че първият фактор, във формулата за плътност tokanasyscheniyajnpri катод emissiiproportsionalenT 2 и не Т 1/2. и тя е тази формула (с T 2), и се нарича с Ричардсън (!?)

Грешка? Не. Просто исторически, че Ричардсън доведе двете формули за плътност катод tokanasyscheniya. и първата (гърба през 1901) въз основа на термодинамични съображения с използването на някои емпирична формула е получена

По-късно, през 1923 Dushman получава израз за неговото коефициент B чрез универсалните константи:

Това означава, че постоянно B е един и същ за всички метали. който е свързан с получаването на формула (1с) модел на идеалната електрон газ.

В резултат на това с формула (1с) се нарича
Формула Richardson-Dushman. и името
Richardson определен за формула (1б).

И двете формули са получени от класическите идеи и, въпреки привидно несходство, произвеждат на практика няма различаващи се резултати. Факт е, че във формулата на Richardson-Dushman. и в основният принос формула Ричардсън на насищане на плътността на тока на емисиите дава експоненциална част, които имат идентични. Нищо чудно, че много често връзката за насищане плътност на тока се записва в логаритмична форма:

За да се възстанови по някакъв начин историческата справедливост даваме отново двата класически формулите за насищане ток катод плътност емисия заедно с оригиналните им имена:

формула
Ричардсън -Deshmana

често се нарича
Boguslavsky практика или Langmuir
"Втори закон на три."

От формата на електродите зависи само цифров коефициент В.

При ниски напрежения, тази формула дава твърде ниски стойности на тока. от продукцията не се взема предвид топлинната дисперсия на излъчваната електрони скорости.

При високи напрежения. където се осъществява насищане, формулата "не работи", защото на краен капацитет катод емисии.

Най-добре тази формула е в съответствие с опит с междинните напрежения (на линейната част на диод I-V).

На волт-амперна характеристика

Ако полето не е налице или е малък, частиците образуват облак близо до катода непрекъснато излитане от катода и летят в него отново, с тръгване е случаен. Малко са най-бързите частици могат да достигнат до анода, създавайки анод ток, чиято сила е пропорционална на броя им.

Когато напрежението достигне броя на частиците увеличава анода, електрон облак постепенно се резорбира, докато по-нататъшно увеличение на насищане напрежение възниква, когато всички частици, изпускани от катода достига анода.

Точно (без увеличение) показва така наречения волт-амперна характеристика на диода (IV), т.е. зависимостта на броя на частици, достигащи анода (този брой характеризира ток) от напрежение между катода и анода.