Глава 5. Электрический ток в вакууме

Электрический ток в вакууме может быть обеспечен электронами и ионами. В газе, даже разряженном, электроны и ионы поглощаются веществом, вызывая его ионизацию. В вакууме же препятствий для движения потока электронов или ионов нет, кроме как их самих. Электронные приборы, в которых ток обеспечен потоком электронов в вакууме – называют электронно-вакуумными приборами. К электронно-вакуумным приборам относятся: радиолампы, кинескопы, ускорители электронов (бетатроны), электронные микроскопы и т.д. Радиолампы обладают рядом преимуществ по сравнению с полупроводниковыми приборами, поэтому до сих пор находят применение в приемно-усилительной аппаратуре специального назначения.

5.1. Работа выхода электрона из металла

Электроны проводимости металла, совершая беспорядочное тепловое движение, могут вылетать за пределы металлического тел, поэтому у поверхности металла существует электронное облако, постоянно обменивающиеся электронами с металлом, при условии, что проводник находится в вакууме. Электроны облака и металла находятся в динамическом равновесии между собой. Заметная концентрация электронов в облаке у поверхности металла наблюдается лишь на расстояниях порядка нескольких межатомных от поверхности. Следовательно, на поверхности металла имеется избыток положительно заряженных ионов, нежели внутри металла, где выполняется условие электронейтральности. Положительно заряженные ионы на поверхности металла и электронное облако образуют тонкий двойной электрический слой. Электрическое поле двойного слоя препятствует вылету электронов из металла.

Наименьшую работу, которую должен совершить электрон проводимости для выхода из металла в вакуум, называют работой выхода электрона из металла. Работа выхода совершается за счет уменьшения его кинетической энергии. Она включает в себя работу против сил поля двойного электрического слоя, а также против сил притяжения со стороны положительного заряда на поверхности металлического проводника, индуцируемого вылетающим электроном (силы «зеркального изображения»). Работа выхода зависит от химической природы металла (от номера в периодической системе) и от состояния поверхности металла. Загрязнение поверхности, оксидная пленка и другие изменения состояния поверхности заметно изменяют работу выхода электрона из металла. У чистых металлов работа выхода колеблется в пределах нескольких электрон-вольт.

Испускание электронов твердыми или жидкими телами называется электронной эмиссией, а тела, испускающие электроны, эмиттерами.

В зависимости от механизма испускания эмиттером электронов, различают следующие виды электронной эмиссии:

1) термоэлектронная эмиссия – испускание электронов с поверхности нагретого тела;

2) фотоэлектронная эмиссия, или внешний фотоэффект, – испускание электронов под действием облучения металла электромагнитной волной, в частности, светом;

3) вторичная электронная эмиссия – испускание вторичных электронов в результате бомбардировки эмиттера первичными электронами;

4) автоэлектронная эмиссия –  испускание электронов под действием сильного электрического поля.