Термоэлектронная эмиссия. Экспериментальная проверка закона Ричардсона-Дешмана: Методические указания к лабораторному практикуму

Министерство образования Российской Федерации

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ

(Экспериментальная проверка закона Ричардсона-Дешмана)

Методические указания к лабораторному практикуму

для студентов дневной формы обучения

физико-технического факультета

Екатеринбург 2000

УДК 535(075.8)+539,1(075.8)

Составители: Е.А.Литвинов, А.И.Медведев, С.О.Чолах, А.И.Филатов

Научный редактор проф., д-р физ.-мат.наук Е.А.Литвинов

Термоэлектронная эмиссия. Экспериментальная проверка закона Ричардсона-Дешмана: Методические указания к лабораторному практикуму /Е.А.Литвинов, А.И.Медведев, С.О.Чолах, А.И.Филатов./ Екатеринбург: УГТУ, 2000. 32 с.

Методические указания предназначены для использования студентами при выполнении лабораторных работ, лабораторного практикума по курсу «Эмиссионная электроника». Изложены физические основы термоэлектронной эмиссии в чистых металлах. Получена формула Ричардсона-Дешмана, описывающая зависимость тока насыщения в вакуумном диоде с вольфрамовым катодом прямого накала от его температуры. Описаны лабораторная установка, порядок выполнения работы и методика обработки результатов измерения.

Работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы «Интеграция» в рамках Уральского учебно-научного центра радиационно-лучевые технологии.

Библиогр.: 8 назв. Рис. 6. Табл. 2. Прил. 1.

Подготовлено кафедрой электрофизики. 

© Уральский государственный

технический университет, 2000

 Введение

Термоэлектронная эмиссия была открыта в 1883 году американским изобретателем Томасом Эдисоном (1847-1931). При проведении своих многочисленных опытов, связанных с разработкой электрической лампы, он ввел дополнительный электрод внутрь откачанного стеклянного баллона и приложил к нему положительный потенциал относительно нити накала, размещенной в этом баллоне. Во внешней цепи каждый раз появлялся электрический ток, когда нить накала разогревалась током от отдельного источника до температуры, при которой она начинала светиться. При отрицательном потенциале на электроде ток во внешней цепи не возникал. С холодной нитью накала ток отсутствовал в любом случае. Это явление, важность которого не оценил Эдисон, получило в последствии название термоэлектронной эмиссии (эффект Эдисона).

Это явление удалось объяснить лишь после открытия в 1897 году    английским физиком Дж.Дж.Томсоном (1856-1940) электрона  и измерения величины отношения электрического заряда к массе носителя заряда в эффекте Эдисона. Поскольку численное значение этого отношения оказалось таким же, что и для катодных лучей в газоразрядной трубке, Томсон пришел к выводу, что нагретая нить накала - катод в лампе Эдисона испускает электроны. При подаче положительного напряжения на дополнительный электрод - анод, введенный в колбу, электроны с катода притягиваются к аноду и во внешней цепи появляется электрический ток. При обратной полярности анодного напряжения электроны отталкиваются от дополнительного электрода и анодный ток прекращается. Холодная нить накала не испускает электроны, поэтому анодного тока не наблюдается при любой полярности анодного напряжения.

В эффекте Эдисона была обнаружена сильная зависимость величины анодного тока от температуры нити накала и от выбора материала, из которого эта нить изготовлена. Были установлены также некоторые количественные закономерности, которые в дальнейшем многократно уточнялись  и корректировались. В конечном итоге они были сформулированы  в виде так называемого закона Ричардсона-Дешмана (Richardson-Dushman).[1]

1.  Формула Ричардсона-Дешмана

Эта формула устанавливает количественные соотношения между поверхностной плотностью тока эмиссии (J) в эффекте Эдисона, абсолютной температурой (Т) поверхности катода, эмитирующей электроны, и материалом, из которого он изготовлен. Эксперименты обычно выполняются с двухэлектродной вакуумной лампой - диодом в режиме «насыщение», когда все эмитированные нагретым катодом электроны достигают анода и по внешней электрической цепи возвращаются обратно на катод. В этом случае плотность тока эмиссии будет полностью определять величину анодного тока (I_А), который в режиме насыщения практически не зависит от величин анодного напряжения (U_А).

Первый вариант формулы, определяющей количественные связи в эффекте термоэлектронной эмиссии в чистых металлах, был предложен в 1901 году английским физиком, лауреатом Нобелевской премии (1928 г.) О.В.Ричардсоном (1879-1959 гг.) Эту полуэмпирическую формулу он получил на основе общих термодинамических соображений, опираясь на известные в то время эмпирические закономерности, и записал ее в виде

J =A₁) ,                                                                                                                        (1)