Что называется термоэлектронной эмиссией что такое двойной слой

Термоэлектронная эмиссия: понятие, особенности. Термоэлектронная эмиссия в вакууме

Сегодня в фокусе внимания термоэлектронная эмиссия. Рассматриваются варианты названия эффекта, его проявление в среде и в вакууме. Исследуются температурные пределы. Определяются зависимые составляющие плотности тока насыщения термоэлектронной эмиссии.

Названия эффекта термоэлектронной эмиссии

Термин «термоэлектронная эмиссия» имеет и другие названия. По именам ученых, которые открыли и впервые исследовали это явление, он определяется как эффект Ричардсона или эффект Эдисона. Таким образом, если человеку в тексте книги встретятся эти два словосочетания, он должен помнить, что подразумевается все тот же физический термин. Путаницу внесло разногласие между публикациями отечественных и зарубежных авторов. Советские физики стремились давать законам поясняющие определения.

Термин «термоэлектронная эмиссия» содержит в себе суть явления. Человеку, который видит это словосочетание на странице, сразу понятно, что речь идет о температурном испускании электронов, только остается за кадром, что происходит это непременно в металлах. Но для того и существуют определения, чтобы раскрывать детали. В зарубежной науке очень щепетильно относятся к первенству и авторскому праву. Поэтому ученый, который смог зафиксировать нечто, получает именное явление, а бедные студенты должны фактически наизусть заучивать фамилии первооткрывателей, а не только суть эффекта.

Определение термоэлектронной эмиссии

Явление термоэлектронной эмиссии состоит в том, что из металлов при высокой температуре выходят электроны. Таким образом, нагретое железо, олово или ртуть являются источником этих элементарных частиц. Механизм строится на том, что в металлах существует особая связь: кристаллическая решетка положительно заряженных ядер является как бы общей базой для всех электронов, которые образуют облако внутри структуры.

Таким образом, среди отрицательно заряженных частиц, которые находятся вблизи поверхности, всегда найдутся такие, у которых достаточно энергии, чтобы покинуть объем, то есть преодолеть потенциальный барьер.

Температура эффекта термоэлектронной эмиссии

Благодаря металлической связи вблизи поверхности любого металла найдутся электроны, у которых достаточно сил для преодоления потенциального барьера выхода. Однако из-за этого же разброса энергий одна частица едва отрывается от кристаллической структуры, а другая вылетает и преодолевает некоторое расстояние, ионизируя среду вокруг себя. Очевидно, что чем больше кельвинов в среде, тем больше электронов приобретают способность покинуть объем металла. Таким образом, встает вопрос о том, какова температура термоэлектронной эмиссии. Ответ непрост, и рассматривать мы будем нижнюю и верхнюю границы существования этого эффекта.

Температурные пределы термоэлектронной эмиссии

Связь позитивных и негативных частиц в металлах обладает рядом особенностей, среди которых очень плотное распределение энергий. Электроны, являясь фермионами, занимают каждый свою энергетическую нишу (в отличие от бозонов, которые способны находиться все в одном состоянии). Несмотря на это, разница между ними настолько мала, что спектр может считаться непрерывной, а не дискретной величиной.

В свою очередь это приводит к большой плотности состояний электронов в металлах. Однако даже при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, (напомним, это ноль кельвинов, или примерно минус двести семьдесят три градуса по Цельсию) будут находиться электроны с большей и меньшей энергией, так как все они одновременно не смогут быть в низшем состоянии. Значит, при определенных условиях (тонкая фольга) очень редко выход электрона из металла будет наблюдаться даже при экстремально низких температурах. Таким образом, нижним пределом температуры термоэлектронной эмиссии может считаться значение, близкое к абсолютному нулю.

Однако все эти пределы роднит одно – металл перестает быть твердым телом. А значит, законы и эффекты меняются. И говорить о том, что в расплаве существует термоэлектронная эмиссия, не приходится. Таким образом, верхним пределом этого эффекта становится температура плавления металла.

Термоэлектронная эмиссия в условиях вакуума

Все рассмотренное выше относится к явлению в среде (например, на воздухе или в инертном газе). Теперь обратимся к вопросу, что такое термоэлектронная эмиссия в вакууме. Для этого опишем простейший прибор. В колбу, из которой откачали воздух, помещают тонкий стержень из металла, к которому подводят отрицательный полюс источника тока. Заметим, что материал должен плавиться при достаточно высоких температурах, чтобы во время эксперимента не потерять кристаллическую структуру. Полученный таким образом катод окружают цилиндром из другого металла и подсоединяют к нему положительный полюс. Естественно, анод тоже находится в заполненном вакуумом сосуде. При замыкании цепи получаем ток термоэлектронной эмиссии.

Примечательно то, что в этих условиях зависимость тока от напряжения при не меняющейся температуре катода подчиняется не закону Ома, а закону трех вторых. Еще он назван именем Чайлда (в других версиях Чайлда-Ленгмюра и даже Чайлда-Ленгмюра-Богуславского), а в немецкоязычной научной литературе – уравнением Шоттки. При увеличении напряжения в такой системе в определенный момент все электроны, вырываемые из катода, достигают анода. Это называется током насыщения. На вольт-амперной характеристике это выражается в том, что кривая выходит на плато, и дальнейшее увеличение напряжения не эффективно.

Формула термоэлектронной эмиссии

Таковы особенности, которыми обладает термоэлектронная эмиссия. Формула достаточно сложная, поэтому приводить её здесь не будем. К тому же её легко найти в любом справочнике. Вообще, формулы термоэлектронной эмиссии как таковой не существует, рассматривают только плотность тока насыщения. Эта величина зависит от материала (который определяет работу выхода) и термодинамической температуры. Все остальные составляющие формулы – константы.

На основании термоэлектронной эмиссии работает множество приборов. Например, старые большие телевизоры и мониторы в основе имеют именно этот эффект.

Источник

Термоэлектронная эмиссия

Если металл нагреть до достаточно высокой температуры (практически до красного каления), из него начинают интенсивно испаряться электроны. Это явление называется термоэлектронной эмиссией. Добиться выхода электронов из металла можно и другими путями. Например, при освещении металла светом достаточно высокой частоты наблюдается фотоэлектронная эмиссия, а если поместить металл в очень сильное электрическое поле, то возможно появление автоэлектронной эмиссии. Рассмотрим физическую природу термоэлектронной эмиссии.

Положительные ионы, образующие решетку металла, создают внутри металла электрическое поле с положительным потенциалом, периодически меняющимся при перемещении вдоль линии, проходящей через узлы решетки (рис.17.1а). В грубом приближение этим изменением потенциала можно пренебречь и считать потенциал во всех точках металла одинаковым и равным (рис.17.1б). – называется внутренним потенциалом металла. Свободный электрон, находящийся в таком поле, обладает отрицательной потенциальной энергией равной (где e – заряд электрона).

На рис.17.1в представлено изменение потенциальной энергии электрона при переходе его из вакуума в металл: в вакууме , в металле . Это изменение хотя и носит характер скачка, но происходит не мгновенно, а на протяжении отрезка x, по порядку величины равного нескольким параметрам решетки. Из рисунка видно, что металл является для электрона потенциальной ямой, которую он не может свободно покинуть. Поэтому выход электрона из металла требует затраты энергии на совершение работы по преодолению сил, удерживающих электрон в металле. Так как изменение потенциальной энергии электронов при выходе из металла происходит лишь на отрезке x непосредственно у поверхности металла, то и действие сил, препятствующих выходу, сосредоточено только на этом отрезке. Внутри металла и вне этого отрезка потенциальная энергия электрона постоянна и эти силы равны нулю ( ).

Рассмотрим более подробно природу сил, препятствующих выходу электронов из металла.

Рис. 17.2. «Испарение» электронов и образование двойного

электрического слоя у поверхности металла.

Свободные электроны металла даже при абсолютном нуле обладают значительной кинетической энергией и стремятся покинуть металл. Огромное большинство электронов, имеющих кинетическую энергию недостаточную для выхода из металла, двигаясь к поверхности, могут выйти за ее пределы лишь на незначительное расстояние. Затем силы притяжения положительных ионов заставляют их возвратиться обратно (траектория 1, рис.17.2). Вследствие этого металл оказывается всегда окутанным электронами, образующими над ним тонкий отрицательно заряженный слой. Поверхность металла заряжается соответственно положительным зарядом. Толщина x₀этого двойного слоя по порядку величины равна параметру решетки кристалла. Оба слоя образуют своеобразный конденсатор с разностью потенциалов U₁. На электрон, проходящий через двойной слой, действуют возвращающие в кристалл силы. Следовательно, электрон, стремящийся покинуть металл, должен совершить работу, равную A₁ = eU₁ по преодолению этой разности потенциалов.

Кроме сил со стороны двойного слоя на электрон, покинувший металл, действует так называемая сила электрического изображения. Дело в том, что электрон, вышедший из металла и находящийся у его поверхности на расстояние x, поляризует поверхность металла, индуцируя на ней заряд “+e” (рис.17.3а), который действует на электрон так, как если бы он был сосредоточен под поверхностью металла на глубине x в точке, симметричной той, в которой находится электрон (рис.17.3б). Поэтому взаимодействие электрона с индуцируемым положительным зарядом на поверхности металла удобно заменить на взаимодействие электрона с “зеркально отраженным” положительным зарядом, находящимся на расстояние 2x. Сила взаимодействия этих зарядов равна:

(17.1)

Эта сила называется силой электрического изображения. Преодоление ее требует затраты работы А₂, равной:

, (17.2)

где x₀ – толщина двойного слоя.

Рис. 17.3. Силовые линии электрона вблизи поверхности проводника (а),

Источник

Термоэлектронная эмиссия

Полезное

Смотреть что такое «Термоэлектронная эмиссия» в других словарях:

ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ — испускание электронов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум или др. среду. Выйти из тела могут только те электроны, энергия к рых больше энергии покоящегося вне эмиттера электрона (см. Работа выхода). Число таких электронов (обычно это электроны … Физическая энциклопедия

ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ — испускание эл нов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум или др. среду. Выйти из тела могут только те эл ны, энергия к рых больше энергии эл на, покоящегося вне тела (см. РАБОТА ВЫХОДА). Число таких эл нов в условиях термодинамич. равновесия, в… … Физическая энциклопедия

ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ — испускание электронов нагретыми твердыми телами или жидкостями (эмиттерами). Термоэлектронную эмиссию можно рассматривать как испарение электронов из эмиттера. В большинстве случаев термоэлектронная эмиссия наблюдается при температурах… … Большой Энциклопедический словарь

термоэлектронная эмиссия — термоэлектронная эмиссия; отрасл. термоионная эмиссия Электронная эмиссия, обусловленная исключительно тепловым состоянием (температурой) твердого или жидкого тела, испускающего электроны … Политехнический терминологический толковый словарь

термоэлектронная эмиссия — Электронная эмиссия, обусловленная только температурой электрода. [ГОСТ 13820 77] Тематики электровакуумные приборы … Справочник технического переводчика

ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ — ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ, «испарение» ЭЛЕКТРОНОВ с поверхности вещества при его нагреве … Научно-технический энциклопедический словарь

ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ — испускание электронов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум или др. среду. Явление наблюдается при температурах, значительно превышающих комнатную; в этом случае часть электронов тела приобретает энергию, превышающую (млн. равную) работу выхода… … Большая политехническая энциклопедия

термоэлектронная эмиссия — испускание электронов нагретыми твёрдыми телами или жидкостями (эмиттерами). Термоэлектронную эмиссию можно рассматривать как испарение электронов при их тепловом возбуждении. В большинстве случаев термоэлектронная эмиссия наблюдается при… … Энциклопедический словарь

ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ — испускание электронов нагретой поверхностью. Еще до 1750 было известно, что вблизи нагретых твердых тел воздух теряет свое обычное свойство плохого проводника электричества. Однако причина этого явления оставалась неясной до 1880 х годов. В ряде… … Энциклопедия Кольера

термоэлектронная эмиссия — termoelektroninė emisija statusas T sritis chemija apibrėžtis Elektronų spinduliavimas iš įkaitusių kietųjų kūnų arba skysčių. atitikmenys: angl. thermoelectronic emission rus. термоэлектронная эмиссия … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

Источник

ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ

— испускание электронов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум или др. среду. Выйти из тела могут только те электроны, энергия к-рых больше энергии покоящегося вне эмиттера электрона (см. Работа выхода). Число таких электронов (обычно это электроны с энергиями 1 эВ относительно ферми-уровня в эмиттере) в условиях термодинамич. равновесия в соответствии с Ферми-Дирака распределением ничтожно мало при темп-pax T300 К и экспоненциально растёт с T. Поэтому ток T. э. заметен только для нагретых тел. Вылет электронов приводит к охлаждению эмиттера. При отсутствии «отсасывающего» электрич. поля (или при малой его величине) вылетевшие электроны образуют вблизи поверхности эмиттера отрицательный пространств. заряд, ограничивающий ток T. э.

Основные соотношения. При малых напряжениях V между эмиттером и анодом плотность тока моноэнергетич. электронов описывается известной ф-лой (закон трёх вторых) j

Выражение для плотности тока насыщения j 0 в силу принципа детального равновесия может быть получено путём расчёта потока электронов из вакуума в эмиттер. В условиях термодинамич. равновесия этот поток должен совпадать с потоком электронов, вылетающих в вакуум. В предположении, что поверхность эмиттера однородна, внеш. поле мало, а коэф. отражения электронов от поверхности эмиттера в вакууме r в области энергий

1—10 Д; рекордные значения d

10 Д соответствуют адсорбции цезия. Изменение работы выхода описывает усреднённое вдоль поверхности изменение потенциала. Микроскопич. структура индуцируемого адатомами вблизи поверхности потенциала сложна. В частности, на нек-рой части поверхности существует потенц. барьер, затрудняющий вылет в вакуум электронов с энергиями, близкими к пороговым. Однако в большинстве случаев d

Потенциал сил изображения (ПСИ), не являющийся элек-тростатич. потенциалом и не удовлетворяющий Пуассона уравнению в вакууме, описывает потенц. энергию взаимодействия электрона с эмиттером. ПСИ даёт заметный вклад в работу выхода (1 эВ) и проявляется обычно на расстояниях от поверхности z100 А. Его особые свойства связаны с «кулоновским» видом зависимости от координат V

На достаточно чистых и совершенных поверхностях полупроводников плотность собственных (заполненных и пустых) поверхностных состояний в запрещённой зоне невелика и уровень Ферми на поверхности может перемещаться внутри запрещённой зоны, следуя за его положением в объёме. Поэтому при изменении типа и концентрации примесей в объёме полупроводника изменяются F и ток T. э. Кроме того, электрич. поле в таких полупроводниках не экранируется зарядами поверхностных состояний и проникает в эмиттер на значит. глубину, что приводит к изменению F за счёт приповерхностного изгиба зон и к разогреву электронного газа полем.

Аналогичная ситуация возникает и в том случае, когда внеш. поле превышает величину, достаточную для устранения экранирующего влияния поверхностных состояний. По этим причинам отбор тока эмиссии из полупроводников (в отличие от металлов, где эти эффекты обычно малы) может приводить к значит. нарушению термодинамич. равновесия. Особая ситуация возникает при эмиссии из систем с отрицат. электронным сродством (см. Фотоэлектронная эмиссия), в к-рых неравновесный характер процессов эмиссии (в т. ч. и T. э.) обусловлен изначальными особенностями приповерхностной энергетич. структуры эмиттеров.

Влияние неоднородностей. Поверхность большинства эмиттеров неоднородна, на ней существуют «пятна» с разной работой выхода. Между ними возникает контактная разность потенциалов Df и электрич. поля (поля пятен) величиной

10 4 В/см или меньше) и требуют для своего «раскрытия» относительно малых (по сравнению со случаем нормального эффекта Шоттки) внеш. полей, с чем и связана большая величина (аномальность) эффекта в случае неоднородных поверхностей.

Если поверхность сильно неоднородна, так что размеры эмиссионно активных пятен r значительно меньше расстояний между ними, то потенциал f отд. пятна на расстояниях r от него может быть представлен в виде суммы дипольного, квадрупольного и т. д. слагаемых. В частности, зависимость поля пятна от расстояния до поверхности z над центром пятна в этом случае близка к степенной. Последнее обстоятельство (в полной аналогии с нормальным эффектом Шоттки) приводит к степенной или близкой к ней зависимости величины снижения потенц. барьера над центром пятна Df от внеш. поля E (напр., в случае чисто дипольного потенциала f

E 2/3 ). В реальных условиях зависимость потенциала от координат более сложна, однако качественно факторы, определяющие вид полевой зависимости тока в условиях аномального эффекта Шоттки, остаются теми же. Кроме того, всегда существует разброс значений параметров неоднородностей, а в нек-рых случаях (напр., для эмиттеров, приготавливаемых из мелкодисперсных порошков) иерархия размеров может быть весьма богатой (от 100 до 10-100 мкм). При этом с ростом поля происходит поочерёдное раскрытие полей пятен, что значительно расширяет полевой диапазон проявления аномального эффекта Шоттки.

Источник

Термоэлектронная эмиссия

Если сообщить электронам в металлах энергию, необходимую для преодоления работы выхода, то часть электронов может покинуть металл, в результате чего наблюдается явление испускания электронов, или электронной эмиссии. В зависимости от способа сообщения электронам энергии различают термоэлектронную, фотоэлектронную, вторичную электронную и автоэлектронную эмиссии.

1. Термоэлектронная эмиссия –это испускание электронов нагретыми металлами. Концентрация свободных электронов в металлах достаточно высока, поэтому даже при средних температурах вследствие распределения электронов по скоростям некоторые электроны обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера на границе металла. С повышением температуры число электронов, кинетическая энергия теплового движения которых больше работы выхода, растёт и явление термоэлектронной эмиссии становится заметным.

Исследование зависимостей термоэлектронной зависимости можно привести с помощью простейшей двухэлектродной лампы – вакуумного диода, представляющего собой откачанный баллон, содержащий 2 электрода: катод K и анод А. В простейшем случае катодом служит нить из тугоплавкого металла, накаливаемая электрическим током. Анод чаще всего имеет форму металлического цилиндра, окружающего катод. Если диод включить в цепь, как это показано на рисунке 1, то при накаливании катода и подачи на анод положительного напряжения (относительно катода) в анодной цепи возникает ток. Если поменять полярность батареи Б_а, то ток прекращается, как бы сильно катод не накаливали. Следовательно катод испускает отрицательные частицы – электроны.

Источник