№6 Электрондардың металдан шығу жұмысын анықтау

6.1. Жұмыстың мақсаты: Диодтың вольт-амперлік сипаттамасын тұрғызу және оны зерттеу. Жылу энергиясының қанығу тогы тығыздығының катодтың температурасына тәуелділігін зерттеу. Электронның вольфрамнан шығу жұмысын Ричардсондық түзулер әдісімен анықтау.

6.2. Қысқаша теориялық мәліметтер

Металдардың қасиеттері көп жағдайда өткізгіш яғни металда орын ауыстыруға қабілетті электрондардың күйімен анықталады.

Шектелген метал үшін электронның энергиясының үлестірілуі энергетикалық диаграммада бейнеленген (1–сурет). Нөлдік энергия үшін мұнда кинетикалық энергиясы нольге тең болатын метал сыртындағы еркін электронның энергиясы алынады.

1–сурет. Энергетикалық диаграммадағы электрон энергиясының таралуы	2 – сурет. «Электрлік кескіндеу» әдісінің қолданылуы

Пунктирмен болғандағы бос энергетикалық деңгейлер бейнеленген. Электрондардың энергетикалық деңгейлері нәзік горизонталь сызықтармен бейнеленген: олар потенциалдық шұңқырдың түбінен бастап энергияға дейін энергиялар интервалын толыстайды. – Ферми энергиясы, ол болғандағы электрон ие болатын максимал кинетикалық энергия.

Потенциалдық шұңқырдағы әртүрлі энергиялық деңгейлерде болатын электрондардың металдың сыртына шығуы үшін әртүрлі энергия берілуі қажет. Электронды металдан шығуға қажетті минимал кинетикалық энергия

(1)

вакуумдегі болғандағы электронның металдан шығу жұмысы деп аталанады.

К температурада электрондар жылулық тепе-теңдікте болады, сондықтан Ферми энергиясына тағы да қайсыбір жылу энергиясы қосылады. Шығу жұмысының шамасы метал бетінің күйіне байланысты. Ферми деңгейінің орны металдың балқығанға дейін қыздырғанда өзгермейді, бірақта бұл жағдайда қайсыбір жылдам электрондар пайда болады, олар шығу жұмысын игеріп металдан сыртқа шығып өтуге қабілетті болады.

Металдан электрондардың сыртқа шығуына кедергі жасайтын және («вых.» выход – «шығ.» шығу) шығу жұмысын түзейтін күштердің табиғатын қарастыралық. Жеке өткізгіш электрондар металдың ішінде үлкен жылдамдықтармен қозғала отырып металдың бетін қиып өтуі мүмкін. Электрон тастап кеткен орында пайда болған артық оң заряды бар кулондық өзара әсерлесу оны қайтаруға мәжбүр еткенге дейін металдан ұшып шыққан электрон беттік қабаттан (беттен) алшақтай береді.

Тұрақты түрде кейбір электрондар метал бетінен «балқып» ұшады, басқалары қайтып келеді. Сондықтан да метал электрондар бұлтымен қапталған болады, ол бұлт сыртқы оң иондар қабатымен бірге қос электрлік қабат түзейді. Қос қсбатты өріс электрондардың металдан шығуына кедергі жасайды. Электронның металдан шығуына кедергі болатын тағы да бір күш: ол – оның индукцияланған оң зарядтың куондық күші (2 - сурет). Бұл күш – «электрлік кескіндеу күші» деп аталады, өйткені өткізгіш беті бойынша таралған зарядтың әсері шамасы жағынан тең РР жазықтықтағы электронның айналық кескіні болып табылатын оң зарядтың әсеріне эквивалентті. Осы екі физикалық процесс шамасын анықтайды. Бөлмелік температурада практика жүзінде барлық еркін электрондар өткізгіш шегінде қамалған, тек потенциалдық барьерден өтіп және металдан шығып кететіндей энергиясы болатын аздаған электрондар болады.

Дегенмен электрондарға әртүрлі тәсілдермен қосымша энергия беруге болады. Бұл жағдайда электрондардың қайсыбір бөлігі металды тастап кетуіне мүмкіндік алады және электрондардың шығуы, яғни электрондық эмиссия байқалады. Электрондарға энергияның берілуі тәсілдеріне байланысты электрондық эмиссия типтері де әртүрлі болады. Егер электрондар энергияны температураны жоғарлатқандығы дененің жылу энергиясының есебінен алатын болса онда ол термоэлектрондық эмиссия, ал егер энергия жарық арқылы берілсе – фотоэмиссия құбылысы байқалады. Егер энергия электрондарға қайсыбір басқа бөлшектремен атқылау арқылы берілсе онда екінші ретті эмиссия құбылысы бақыланады.

Термоэлектрондық эмиссияны бақылау үшін екі электроды бар вакуумдық лампаны пайдалануға болады: токпен қыздырылатын катод және термоэлектрондарды жинайтын суық электрод (анод).

3 – сурет. Вакуумдық диодты схемаға қосу	4 – сурет. Вакуумдақ диодтың вольт-амперлік сипаттамасы

Мұндай лампалар вакуумдық диодтар деп аталынады. 3 – суретте осындай диодты қосудың схемасы көрсетілген. Мұндай тізбекте ток батареяның оң полюсін анодпен, ал терісін – катодпен қосқанда ғана пайда болады. Бұл жағдай катод теріс бөлшектерді – электрондарды шығаратындығын дәлелдейді. Диодтағы термоэлектрондық токтың күші катодқа қатысты анод потенциалының шамасына тәуелді.

Диодтағы ток күшінің анодтың кернеуіне тәуелділігін бейнелейтін қисықты вольт-амперлік сипаттама (ВАС) деп атайды.

6.4 – суретте катодтың әртүрлі температурасындағы диодтың ВАС – ы көрсетілген. Анодтың потенциалы нольге тең болғанда, ток күші аз болып ол тек анодқа жетуіне қабілетті өте тез термоэлектрондармен анықталады. Анодтың оң потенциалы өскенде ток күші өседі және қанығуға жетеді, яғни анодтың кернеуіне тәуелсіз болады.

Катодтың температурасын өсіргенде қанығу токтың мәні де ұлғаяды. Сонымен қатар бірдей уақытта қанығу тогы орнықты болған жағдайындағы анодтық кернеу де өседі.

Сонымен диодтың ВАС-сы сызықтық емес, яғни Ом заңы орындалмайды. Бұл термоэлектрондық эмиссияда катодтың беткі қабатында электрондардың өте үлкен тығыздығының пайда болуымен түсіндіріледі. Олар жалпы теріс зарядты түзейді және жылдамдықпен ұшып шыққан электрондық оны басып өте алмайды. Анодтық кернеудің ұлғаюымен байланысты кеңістік зарядтың бұлтындағы электрондардың концентрациясы кемиді. Сондықтан кеңістік зарядтың тежейтін әсері азаяды да анодтық ток, анодтық кернеуден тікелей тәуелді болуына қарамастан, тезірек өседі.

Анодтық токтың анодтық кернеуден тәуелділігін, теория жүзінде 1-2 участкеде Ленгмюр мен Богусловский алған. Оны «екіден үш заңы» деп те атайды.

Анодтық кернеудің өсуіне сай катодтан ұшып шыққан электрондардың көбі анодқа тартылады. –ның белгілі мәнінде уақыт бірлігінің ішінде катодтан ұшып шыққан электрондар анодқа жетеді. Анодтық кернеудің ары қарай өсуі анодтық ток күшін өсіре алмайды, өйткені қанығу болады.

Катодтық берілген температурасында мүмкін болатын максимал термоэлектрондық токты қанығу тогы деп атайды.

Температура жоғарлағанда металдағы электрондардың хаосты қозғалысының жылдамдығы өседі. Бұл жағдайда металды тастап кетуге қабілетті электрондардың саны кілт өседі. Қанығу тогының тығыздығы, яғни катодтың әрбір бірлік бетіне келетін қанығу тогының күші Ричардсон – Дешмен формуласы бойынша есептелінеді:

(2)

мұндағы -эмиссия тұрақтысы,- =1,38 10^-23 Дж/К (Больцман тұрақтысы). Қанығу тогының тығыздығы катодтың эмиссиялық қабілеттілігін сипаттайды, ол катодтың табиғаты мен оның температурасына тәуелді.