Кузнецов Сергей Иванович доцент кафедры ОФ ЕНМФ ТПУ Электростатика

Тема 6. ЭМИССИЯ ЭЛЕКТРОНОВ ИЗ ПРОВОДНИКОВ. КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ НА ГРАНИЦАХ ПРОВОДНИКОВ 6.1. Эмиссия электронов из проводников Термоэлектронная эмиссия Холодная и взрывная эмиссия Фотоэлектронная эмиссия 6.2. Контактные явления на границе раздела двух проводников 6.1. Эмиссия электронов из проводников Термоэлектронная эмиссия Холодная и взрывная эмиссия Фотоэлектронная эмиссия 6.2. Контактные явления на границе раздела двух проводников 6.1. Эмиссия электронов из проводников Термоэлектронная эмиссия Холодная и взрывная эмиссия Фотоэлектронная эмиссия 6.2. Контактные явления на границе раздела двух проводников

6.1. Эмиссия электронов из проводников Электрон свободен только в границах металла. Как только он пытается перейти границу «металл – вакуум», возникает кулоновская сила притяжения между электроном и образовавшимся на поверхности избыточным положительным зарядом Электрон свободен только в границах металла. Как только он пытается перейти границу «металл – вакуум», возникает кулоновская сила притяжения между электроном и образовавшимся на поверхности избыточным положительным зарядом

Вблизи от поверхности образуется электронное облако, и на границе раздела формируется двойной электрический слой с разностью потенциалов

Скачки потенциала на границе металла показаны на рисунке Скачки потенциала на границе металла показаны на рисунке В занятом металлом объеме образуется потенциальная энергетическая яма В занятом металлом объеме образуется потенциальная энергетическая яма Так как в пределах металла электроны свободны, и их энергия взаимодействия с узлами решетки равна нулю. Так как в пределах металла электроны свободны, и их энергия взаимодействия с узлами решетки равна нулю. За пределами металла электрон приобретает энергию W 0. Это энергия притяжения, поэтомуЗа пределами металла электрон приобретает энергию W 0. Это энергия притяжения, поэтому

Для того, чтобы покинуть металл, электрон должен преодолеть потенциальный барьер и совершить работу Для того, чтобы покинуть металл, электрон должен преодолеть потенциальный барьер и совершить работу (6.1.1) (6.1.1) Эту работу называют работой выхода электрона из металла. Эту работу называют работой выхода электрона из металла. Для ее совершения электрону необходимо сообщить достаточную энергию Для ее совершения электрону необходимо сообщить достаточную энергию

Термоэлектронная эмиссия Величина работы выхода зависит от химической природы вещества, от его термодинамического состояния и от состояния поверхности раздела. Величина работы выхода зависит от химической природы вещества, от его термодинамического состояния и от состояния поверхности раздела. Если энергия, достаточная для совершения работы выхода, сообщается электронам путем нагревания, то процесс выхода электронов из металла называют термоэлектронной эмиссией. Если энергия, достаточная для совершения работы выхода, сообщается электронам путем нагревания, то процесс выхода электронов из металла называют термоэлектронной эмиссией.

Явление испускания электронов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум называется термоэлектронной эмиссией. Явление испускания электронов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум называется термоэлектронной эмиссией.

Нагрев необходим для того, чтобы энергии теплового движения электрона было достаточно для преодоления сил кулоновского притяжения между отрицательно заряженным электроном и индуцируемым им на поверхности металла положительным зарядом при удалении с поверхности. Кроме того, при достаточно высокой температуре над поверхностью металла создается отрицательно заряженное электронное облако, препятствующее выходу электрона с поверхности металла в вакуум. Нагрев необходим для того, чтобы энергии теплового движения электрона было достаточно для преодоления сил кулоновского притяжения между отрицательно заряженным электроном и индуцируемым им на поверхности металла положительным зарядом при удалении с поверхности. Кроме того, при достаточно высокой температуре над поверхностью металла создается отрицательно заряженное электронное облако, препятствующее выходу электрона с поверхности металла в вакуум.

Явление термоэлектронной эмиссии открыто в 1883 г. знаменитым американским изобретателем Эдисоном. Явление термоэлектронной эмиссии открыто в 1883 г. знаменитым американским изобретателем Эдисоном. Это явление наблюдалось им в вакуумной лампе с двумя электродами – анодом, имеющим положительный потенциал, и катодом с отрицательным потенциалом. Это явление наблюдалось им в вакуумной лампе с двумя электродами – анодом, имеющим положительный потенциал, и катодом с отрицательным потенциалом. Катодом лампы может служить нить из тугоплавкого металла (вольфрам, молибден, тантал и др.), нагреваемая электрическим током. Катодом лампы может служить нить из тугоплавкого металла (вольфрам, молибден, тантал и др.), нагреваемая электрическим током. Такая лампа называется вакуумным диодом. Такая лампа называется вакуумным диодом.

Если катод холодный, то ток в цепи катод – анод практически отсутствует. Если катод холодный, то ток в цепи катод – анод практически отсутствует. При повышении температуры катода в цепи катод – анод появляется электрический ток, который тем больше, чем выше температура катода. При повышении температуры катода в цепи катод – анод появляется электрический ток, который тем больше, чем выше температура катода. При постоянной температуре катода ток в цепи катод – анод возрастает с повышением разности потенциалов U между катодом и анодом и выходит к некоторому стационарному значению, называемому током насыщения I н. При постоянной температуре катода ток в цепи катод – анод возрастает с повышением разности потенциалов U между катодом и анодом и выходит к некоторому стационарному значению, называемому током насыщения I н. При этом все термоэлектроны, испускаемые катодом, достигают анода. При этом все термоэлектроны, испускаемые катодом, достигают анода. Величина тока анода не пропорциональна U, и поэтому для вакуумного диода закон Ома не выполняется. Величина тока анода не пропорциональна U, и поэтому для вакуумного диода закон Ома не выполняется.

На рисунке показаны схема вакуумного диода и вольт-амперные характеристики (ВАХ) I a (U a ) На рисунке показаны схема вакуумного диода и вольт-амперные характеристики (ВАХ) I a (U a ) U з – задерживающее напряжение при котором I = 0 U з – задерживающее напряжение при котором I = 0 I н – ток насыщения, при котором все электроны, испускаемые катодом достигают анода I н – ток насыщения, при котором все электроны, испускаемые катодом достигают анода

Холодная и взрывная эмиссия Электронную эмиссию, вызываемую действием сил электрического поля на свободные электроны в металле, называют холодной или автоэлектронной эмиссией. Электронную эмиссию, вызываемую действием сил электрического поля на свободные электроны в металле, называют холодной или автоэлектронной эмиссией. Для этого должна быть достаточной напряженность поля и должно выполняться условие Для этого должна быть достаточной напряженность поля и должно выполняться условие здесь d – толщина двойного электрического слоя на границе раздела сред. здесь d – толщина двойного электрического слоя на границе раздела сред.

Автоэлектронную эмиссию можно наблюдать в хорошо откачанной вакуумной трубке, катодом которой служит острие, а анодом – обычный электрод с плоской или мало изогнутой поверхностью. Автоэлектронную эмиссию можно наблюдать в хорошо откачанной вакуумной трубке, катодом которой служит острие, а анодом – обычный электрод с плоской или мало изогнутой поверхностью.

Напряженность электрического поля на поверхности острия с радиусом кривизны r и потенциалом U относительно анода равна Напряженность электрического поля на поверхности острия с радиусом кривизны r и потенциалом U относительно анода равна

При и При и что приводит к появлению слабого тока, обусловленного автоэлектронной эмиссией с поверхности катода. что приводит к появлению слабого тока, обусловленного автоэлектронной эмиссией с поверхности катода. Сила эмиссионного тока быстро нарастает с повышением разности потенциалов U. Сила эмиссионного тока быстро нарастает с повышением разности потенциалов U. Катод специально не разогревается, поэтому эмиссия и называется холодной. Катод специально не разогревается, поэтому эмиссия и называется холодной. Закон Чайльда - Ленгмюра Закон Чайльда - Ленгмюра

Плотность тока АЭЭ равна Плотность тока АЭЭ равна где – коэффициент пропорциональности, определяемый геометрией и материалом катода. пропорциональности, определяемый геометрией и материалом катода. Проще говоря, закон Чайльда-Ленгмюра показывает, что плотность тока пропорциональна (закон трех вторых). Проще говоря, закон Чайльда-Ленгмюра показывает, что плотность тока пропорциональна (закон трех вторых).

Электронная микрофотография эмиттера с острийной поверхностью, полученного в г. Дубне с использованием современных трековых методик. Острия – конусы высотой 6,6 мкм, диаметром 1,5 мкм. Радиус кривизны вершины 0,1 мкм. Концентрация 10 7 см 2

Взрывная электронная эмиссия (ВЭЭ). При плотности тока 10 8 А/см 2 и большой концентрации энергии 10 4 Дж м –1 микроострия начинают взрываться и разрушаться. При плотности тока 10 8 А/см 2 и большой концентрации энергии 10 4 Дж м –1 микроострия начинают взрываться и разрушаться. Инициируется качественно иной вид эмиссии, обусловленный взрывом микроострий на катоде. Инициируется качественно иной вид эмиссии, обусловленный взрывом микроострий на катоде. Ток электронов, на порядки превосходит начальный ток ААЭ – наблюдается взрывная электронная эмиссия (ВЭЭ). Ток электронов, на порядки превосходит начальный ток ААЭ – наблюдается взрывная электронная эмиссия (ВЭЭ). ВЭЭ была открыта и изучена в Томском политехническом институте в 1966 г. коллективом сотрудников под руководством Г.А. Месяца. ВЭЭ была открыта и изучена в Томском политехническом институте в 1966 г. коллективом сотрудников под руководством Г.А. Месяца.

ВЭЭ – это единственный вид электронной эмиссии, позволяющий получить потоки электронов мощностью до Вт с плотностью тока до 10 9 А/см 2. ВЭЭ – это единственный вид электронной эмиссии, позволяющий получить потоки электронов мощностью до Вт с плотностью тока до 10 9 А/см 2. Ток ВЭЭ необычен по структуре. Он состоит из отдельных порций электронов штук, имеющих характер электронных лавин, получивших название эктонов (начальные буквы «explosive centre»). Ток ВЭЭ необычен по структуре. Он состоит из отдельных порций электронов штук, имеющих характер электронных лавин, получивших название эктонов (начальные буквы «explosive centre»). Время образования лавин с. Время образования лавин с.

Появление электронов в эктоне вызвано быстрым перегревом микроучастков катода и является, по существу, разновидностью термоэлектронной эмиссии. Появление электронов в эктоне вызвано быстрым перегревом микроучастков катода и является, по существу, разновидностью термоэлектронной эмиссии. Прекращение эмиссии электронов в эктоне обусловлено охлаждением зоны эмиссии за счет теплопроводности, уменьшения плотности тока, испарения атомов. Прекращение эмиссии электронов в эктоне обусловлено охлаждением зоны эмиссии за счет теплопроводности, уменьшения плотности тока, испарения атомов.

Существование эктона проявляется в образовании кратера на поверхности катода. Существование эктона проявляется в образовании кратера на поверхности катода. Взрывная эмиссия электронов и эктоны играют фундаментальную роль в вакуумных искрах и дугах, в разрядах низкого давления, в сжатых и высокопрочных газах, в микропромежутках, т.е. там, где в наличии есть электрическое поле высокой напряженности на поверхности катода. Взрывная эмиссия электронов и эктоны играют фундаментальную роль в вакуумных искрах и дугах, в разрядах низкого давления, в сжатых и высокопрочных газах, в микропромежутках, т.е. там, где в наличии есть электрическое поле высокой напряженности на поверхности катода.

Явление взрывной электронной эмиссии послужило основой для создания импульсных электрофизических установок, таких как сильноточные ускорители электронов, мощные импульсные и рентгеновские устройства, мощные релятивистские сверхвысокочастотные генераторы. Явление взрывной электронной эмиссии послужило основой для создания импульсных электрофизических установок, таких как сильноточные ускорители электронов, мощные импульсные и рентгеновские устройства, мощные релятивистские сверхвысокочастотные генераторы. Например, импульсные ускорители электронов имеют мощность Вт и более при длительности импульсов с, токе электронов 10 6 А и энергии электронов эВ. Например, импульсные ускорители электронов имеют мощность Вт и более при длительности импульсов с, токе электронов 10 6 А и энергии электронов эВ. Такие пучки широко используются для исследований в физике плазмы, радиационной физике и химии, для накачки газовых лазеров и пр. Такие пучки широко используются для исследований в физике плазмы, радиационной физике и химии, для накачки газовых лазеров и пр.

Фотоэлектронная эмиссия Фотоэлектронная эмиссия (фотоэффект) заключается в «выбивании» электронов из металла при действии на него электромагнитного излучения. Фотоэлектронная эмиссия (фотоэффект) заключается в «выбивании» электронов из металла при действии на него электромагнитного излучения.

Схема установки для исследования фотоэффекта и ВАХ аналогичны термоэмиссии. Здесь, вместо разогрева катода, на него направляют поток фотонов или - квантов. Схема установки для исследования фотоэффекта и ВАХ аналогичны термоэмиссии. Здесь, вместо разогрева катода, на него направляют поток фотонов или - квантов.

В физических приборах, регистрирующих – излучение, используют фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Схема прибора приведена на рисунке. В физических приборах, регистрирующих – излучение, используют фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Схема прибора приведена на рисунке.

В ФЭУ используют два эмиссионных эффекта: фотоэффект и вторичную электронную эмиссию, которая заключается в выбивании электронов из металла при бомбардировке последнего другими электронами. В ФЭУ используют два эмиссионных эффекта: фотоэффект и вторичную электронную эмиссию, которая заключается в выбивании электронов из металла при бомбардировке последнего другими электронами. Электроны выбиваются светом из фотокатода (ФК). Электроны выбиваются светом из фотокатода (ФК). Ускоряясь между ФК и первым эмиттером (КС1), они приобретают энергию, достаточную, чтобы выбить большее число электронов из следующего эмиттера. Ускоряясь между ФК и первым эмиттером (КС1), они приобретают энергию, достаточную, чтобы выбить большее число электронов из следующего эмиттера.

Умножение электронов происходит за счет увеличения их числа при последовательном прохождении разности потенциалов между соседними эмиттерами. Умножение электронов происходит за счет увеличения их числа при последовательном прохождении разности потенциалов между соседними эмиттерами. Последний электрод называют коллектором. Последний электрод называют коллектором. Регистрируют ток между последним эмиттером и коллектором. Регистрируют ток между последним эмиттером и коллектором. Таким образом, ФЭУ служит усилителем тока, а последний пропорционален излучению, попадающему на фотокатод, что и используют для оценки радиоактивности. Таким образом, ФЭУ служит усилителем тока, а последний пропорционален излучению, попадающему на фотокатод, что и используют для оценки радиоактивности.

6.2. Контактные явления на границе раздела двух проводников Как показывает опыт, на контакте двух различных металлов образуется двойной электрический слой и соответствующая разность потенциалов: Как показывает опыт, на контакте двух различных металлов образуется двойной электрический слой и соответствующая разность потенциалов:

Появление двойного электрического слоя обусловлено различием работ выхода электронов из металлов. Появление двойного электрического слоя обусловлено различием работ выхода электронов из металлов. Чем она больше, тем меньше вероятность перехода электронами границы раздела. Чем она больше, тем меньше вероятность перехода электронами границы раздела. Поэтому со стороны металла с большей работой выхода накапливается отрицательный заряд, а с противоположной – положительный. Поэтому со стороны металла с большей работой выхода накапливается отрицательный заряд, а с противоположной – положительный.

Это явление наблюдалось итальянским физиком Алессандро Вольты (1745 – 1827), который сформулировал два экспериментальных закона, известных как законы Вольта Это явление наблюдалось итальянским физиком Алессандро Вольты (1745 – 1827), который сформулировал два экспериментальных закона, известных как законы Вольта

Законы Вольты 1.На контакте двух разных металлов возникает разность потенциалов, которая зависит от химической природы и от температуры спаев. 1.На контакте двух разных металлов возникает разность потенциалов, которая зависит от химической природы и от температуры спаев. 2.Разность потенциалов на концах последовательно соединенных проводников не зависит от промежуточных проводников и равна разности потенциалов, возникающей при соединении крайних проводников при той же температуре (закон последовательных контактов Вольта). 2.Разность потенциалов на концах последовательно соединенных проводников не зависит от промежуточных проводников и равна разности потенциалов, возникающей при соединении крайних проводников при той же температуре (закон последовательных контактов Вольта).

Ряд Вольты. Потенциал каждого последующего металла в этом ряду ниже потенциала предыдущего Опыт Вольты по доказательству существования контактной разности потенциалов

Результаты эксперимента можно объяснить с позиции классической электронной теории. Результаты эксперимента можно объяснить с позиции классической электронной теории. Если принять, что потенциал за пределами металла равен нулю, то энергия электрона внутри металла с потенциалом φ i определится выражением Если принять, что потенциал за пределами металла равен нулю, то энергия электрона внутри металла с потенциалом φ i определится выражением (6.2.1) (6.2.1)

При соединении двух разных металлов с работами выходаи При соединении двух разных металлов с работами выходаи возникает избыточный переход электронов из второго металла в первый, так как возникает избыточный переход электронов из второго металла в первый, так как

В результате концентрация электронов n 1 в металле 1 увеличивается, по сравнению с n 2, что порождает обратный избыточный поток электронного газа за счет диффузии, противоположный потоку, обусловленному разностью работ выхода. В результате концентрация электронов n 1 в металле 1 увеличивается, по сравнению с n 2, что порождает обратный избыточный поток электронного газа за счет диффузии, противоположный потоку, обусловленному разностью работ выхода.

Установившуюся разность потенциалов можно найти из выражения: Установившуюся разность потенциалов можно найти из выражения: Явление возникновения контактной разности потенциалов и ее зависимость от температуры называют прямым термоэлектрическим эффектом или эффектом Зеебека. Явление возникновения контактной разности потенциалов и ее зависимость от температуры называют прямым термоэлектрическим эффектом или эффектом Зеебека.

Эффект Зеебека (прямой термоэлектрический эффект) заключается в появлении разности потенциалов в термопарах.

Электромагнит, питаемый током термоэлемента, способен удержать гирю весом в несколько килограммов Эффективная демонстрация термоэлектрического тока может быть осуществлена в опыте, приведенном на рис. Толстая U-образная медная дуга перекрывается коротким мостиком 1 2 из константана или железа. Место спая 1 разогревается

Схема термопары состоящей из спая двух разных металлов 1 и 2, показана на рисунке. Схема термопары состоящей из спая двух разных металлов 1 и 2, показана на рисунке. На концах термопары возникает термоЭДС : На концах термопары возникает термоЭДС : где Т г – температура горячего спая и Т x – температура холодного спая.

Таким образом – термоЭДС термопары: Таким образом – термоЭДС термопары: – постоянная термопары: – постоянная термопары:

Эффектом Пельтье обратный термоэлектрический эффект. Он заключается в том, что при пропускании тока через термопару, ее спай поглощает или выделяет тепло в зависимости от направления тока. Он заключается в том, что при пропускании тока через термопару, ее спай поглощает или выделяет тепло в зависимости от направления тока. Количество поглощенного тепла пропорционально плотности тока. Количество поглощенного тепла пропорционально плотности тока. (6.2.4) (6.2.4) где П 12 – коэффициент Пельтье, зависящий от материала контактирующих металлов. где П 12 – коэффициент Пельтье, зависящий от материала контактирующих металлов.

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕРМОПАР

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Термопары относятся к классу термоэлектрических преобразователей, принцип действия которых основан на явлении Зеебека: Термопары относятся к классу термоэлектрических преобразователей, принцип действия которых основан на явлении Зеебека: если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру (Т1 не равно Т2), то в цепи протекает электрический ток. если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру (Т1 не равно Т2), то в цепи протекает электрический ток.

Таким образом, термопара может образовывать устройство, использующее термоэлектрический эффект для измерения температуры. Таким образом, термопара может образовывать устройство, использующее термоэлектрический эффект для измерения температуры. В сочетании с электроизмерительным прибором термопара образует термоэлектрический термометр. В сочетании с электроизмерительным прибором термопара образует термоэлектрический термометр. Измерительный прибор или электронную измерительную систему подключают либо к концам термоэлектродов (рис. 2,а), либо в разрыв одного из них (рис. 2,б). Измерительный прибор или электронную измерительную систему подключают либо к концам термоэлектродов (рис. 2,а), либо в разрыв одного из них (рис. 2,б).

В местах подключения проводников термопары к измерительной системе возникают дополнительные термоЭДС. В местах подключения проводников термопары к измерительной системе возникают дополнительные термоЭДС. В результате их действия на вход измерительной системы фактически поступает сумма сигналов от рабочей термопары и от «термопар», возникших в местах подключения. В результате их действия на вход измерительной системы фактически поступает сумма сигналов от рабочей термопары и от «термопар», возникших в местах подключения. Существуют различные способы избежать этого эффекта. Самым очевидным из них является поддержание температуры холодного спая постоянной. Существуют различные способы избежать этого эффекта. Самым очевидным из них является поддержание температуры холодного спая постоянной.

Обоз. Термо- электро- дов МатериалыПределы измерения при длительном применении Верхний предел измерений при кратковременном применении ПП-1Платинородий (10% родия) От -20 до 1300 °С 1600 °С ПР-30Платинородий (30% родия) °С 1800 °С ХАХромель-алюмель °С 1300 °С ХКХромель-копель °С 800 °С Основные параметры термопар промышленного типа

ЗАВИСИМОСТЬ ЭДС

ЭЛЕКТРОННЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ Отечественная промышленность выпускает электронные термометры для измерения температуры контактным способом. Отечественная промышленность выпускает электронные термометры для измерения температуры контактным способом. Так, например, одно из отечественных предприятий наладило производство серии измерителей температуры, каждый из которых состоит из электронного блока и набора сменных датчиков температуры, представляющих собой стандартные хромель-алюмелевые термопары (тип К) Так, например, одно из отечественных предприятий наладило производство серии измерителей температуры, каждый из которых состоит из электронного блока и набора сменных датчиков температуры, представляющих собой стандартные хромель-алюмелевые термопары (тип К)

ВНЕШНИЙ ВИД Миниатюрный и контактный термометр

ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ Надежность конструкции датчика, возможность работы в широком диапазоне температур, дешевизна, простота, удобство монтажа, возможность измерения локальной температуры, малая инерционность. Надежность конструкции датчика, возможность работы в широком диапазоне температур, дешевизна, простота, удобство монтажа, возможность измерения локальной температуры, малая инерционность. Необходимость поддержания температуры холодного спая постоянной и нелинейность на некоторых участках. Необходимость поддержания температуры холодного спая постоянной и нелинейность на некоторых участках.

ПРИМЕНЕНИЕ Измерение температур с помощью термопар получило широкое распространение для измерения температуры различных объектов, а также в автоматизированных системах управления и контроля. Измерение температур с помощью термопар получило широкое распространение для измерения температуры различных объектов, а также в автоматизированных системах управления и контроля.