Физические процессы в электронных лампах. Движение электрона в электрическом поле

Атомы веществ состоят из положительно заряженных массивных ядер и непрерывно вращающихся вокруг них электронов с отрицательным зарядом. Количество электронов в атоме зависит от химической природы вещества — места, занимаемого им в таблице Д. И. Менделеева.

В соответствии с принципами квантовой механики электроны двигаются вокруг ядра не по любым, а только по разрешенным траекториям, образующим слои (оболочки), называемые орбиталями. Число электронов во внешней орбитали определяет многие физико-химические свойства вещества — химическую активность, валентность, электропроводность и т. д. Каждому слою электронов (орбитали) соответствует определенный уровень энергии.

Наибольшей энергией обладают электроны внешней орбитали атома — валентные электроны. Отрыв электрона от атома или присоединение к нему лишнего валентного электрона называется ионизацией атома; в первом случае образуется положительный ион, во втором — отрицательный; переход иона в состояние нейтрального атома называется деионизацией. Нейтральным называется атом, у которого положительный заряд ядра равен абсолютному значению суммарного отрицательного заряда электронов.

Электрон как элементарная частица обладает корпускулярными и волновыми свойствами. Его условная масса покоя т_о = 9,1∙10^-31 кг, отрицательный заряд q = 1,602∙10^-19 Кл, отношение заряда к массе q/m_о = 1,76∙101¹ Кл/кг, средний радиус орбиты (например, атома водорода, определенного по методу Н. Бора) r_ә = 5∙10^-11 м. Валентные электроны связаны с ядром относительно слабо и при определенном приращении энергии могут оторваться от атома, перейти к другим атомам или совсем покинуть вещество.

Процесс излучения электронов поверхностью вещества в вакуум называется электронной эмиссией. Явление эмиссии используется во всех электронных лампах. Различают термоэлектронную, электростатическую, вторичную электронную, фотоэлектронную и другие виды эмиссии.

Термоэлектронная эмиссия обусловлена нагреванием вещества катода. Нагрев осуществляется, как правило, электрическим током. Термоэлектронная эмиссия и энергетическое состояние атомов вещества, эмиттирующего электроны, поясняются рис. 1.1. В нижней левой четверти координатных осей показано несколько ячеек кристаллического вещества (металла М) с неровной поверхностью излома. По оси ординат отложены уровни энергии электронов, по оси абсцисс — удаление электронов от поверхности. Положительно заряженные ионы (окружности со знаком «+») образуют остов металла, его кристаллическую решетку. Множество электронов, ставших «общими», представлено маленькими окружностями. В 1 см³ металла имеется примерно 1∙10²³ электронов.

На кромке излома электроны внешней орбитали обнажаются и подобно газовой пленке окутывают поверхность вещества. Совокупность поверхностных ионов и электронов называется двойным электрическим слоем. Слой имеет толщину d_д,с≈ 10^-4 мкм. Внутренняя и внешняя части этого слоя, обладая зарядами, создают электрическое поле, направленное изнутри вещества. Электроны удерживаются в металле внутриатомными силами и действием поля. Максимальная внутренняя энергия, которой обладают электроны при абсолютном нуле (0 К), называется энергией Ферми, а ее значение — уровнем Ферми W_F.

При повышении температуры электроны приобретают дополнительную энергию. Отдельные электроны, количество которых определяется методами теории вероятностей, оказываются способными преодолеть действие внутриатомных сил и электрического поля двойного слоя, перейти в вакуум и стать «свободными». Другие электроны удаляются на меньшее расстояние от поверхности и снова втягиваются полем двойного слоя внутрь вещества. Таким образом, каждый электрон, покидающий вещество, предварительно должен преодолеть потенциальный барьер ϕ_о, который зависит от вещества. Минимальная дополнительная энергия W₀ (по сравнению с энергией Ферми), необходимая электрону для преодоления потенциального барьера, называется работой выхода W₀ = W_a—W_F, где W_a — полная энергия электрона (рис. 1.1, участок ОАБ на кривой 1), W_F — энергия электрона внутри вещества.

Рис. 1 1. Образование запирающего слоя на поверхности металла М и графики энергии некоторых веществ

Работа или энергия равна 1 Дж, если заряд в 1 Кл преодолеет разность потенциалов поля в 1 В. В электронике энергию электрона или совершенную им работу удобнее выражать не в джоулях, а в электронвольтах (эВ). Энергия равна 1 эВ, если заряд, которым обладает электрон (е = 1,6∙10^-19 Кл), преодолевает разность потенциалов в 1 В (1 эВ = 1,6∙10^-19 Дж).

Металлы (вещества) различаются свойственными им значениями работы выхода: чем она больше, тем слабее электронная эмиссия. Например, вольфрам имеет работу выхода W₀ = 4,52 эВ; это означает, что эмиттируемый с его поверхности электрон преодолевает потенциальный барьер ϕ_о = 4,52 В; значительно меньшую работу выхода имеют металлы с большими междуатомными расстояниями: цезий — 1,81; барий — 2,52; магний — 3,6 эВ.

Основным параметром термоэлектронной эмиссии катода считается плотность электрического тока эмиссии, равная току с единицы поверхности. Эмиссия возрастает при повышении температуры нагрева — примерно по экспоненциальному закону; она также зависит от состояния излучающей поверхности катода и других факторов. Так, эмиссия у вольфрама при температуре до 2000 К практически отсутствует, при 2500 К плотность тока эмиссии равна 0,1 А/см², при 2600 К — 0,3 А/см² и г д.

Если металл содержит соответствующую примесь, порождающую мономолекулярный поверхностный слой, то атомы слоя, отдавая свои электроны основному веществу, усиливают его эмиссию; подобные примеси называются активирующими; диаграмма выхода электронов с такой поверхности показана кривой 2 на рис. 1.1.

Другие примеси, осажденные на поверхность вещества, образуют мономолекулярный слой, который отбирает электроны у основного вещества, образуя на поверхности отрицательные ионы; они увеличивают работу выхода, т. е. ослабляют эмиссию, такие вещества называют «отравляющими». Примером может служить кислород. Работа выхода для чистого вольфрама равна 4,52 эВ, после обработки вольфрама кислородом она увеличивается до 9,2 эВ. Этот факт иллюстрируется графиком 3 на рис. 1.1. В качестве эмиттирующих веществ часто применяют некоторые полупроводники, обладающие работой выхода, значительно меньшей, чем металлы, например, окись бария с примесью чистого бария (полупроводника с работой выхода W₀ = 1,1 эВ).

Электростатической электронной эмиссией называется эффект вырыва электронов из поверхности металла сильным внешним электрическим полем. Поле снижает потенциальный барьер и работу выхода, облегчая вылет электронов из вещества. Так, при напряженности электрического поля в 10⁶ В/см и более наблюдается эмиссия электронов даже с холодной поверхности. Эмиссия усиливается, если на поверхность нанесены активирующие присадки.

Вторичная электронная эмиссия возникает, если на поверхность вещества направить поток электронов или ионов, называемых первичными. Они взаимодействуют с электронами электрода и сообщают им дополнительную энергию, достаточную для совершения работы выхода. На основе вторичной электронной эмиссии построены фотоэлектронные умножители и другие приборы; в электронных лампах она, как правило, является помехой нормальной работе.

Фотоэлектронная эмиссия проявляется при воздействии квантов света (электромагнитных излучений) на поверхность вещества. При этом кванты сообщают электронам дополнительную энергию для совершения работы выхода.

Движение электрона в электрическом поле. В рабочем режиме е помощью внешних источников между электродами электронных ламп создаются электрические поля, с которыми взаимодействуют электроны, эмиттироваииые катодом. Однородное электрическое поле между плоскими электродами, к которым приложено напряжение] «+» — к электроду А (аноду), «—» — к электроду К (катоду), представлено на рис. 1. 2.

Рис. 1.2. Движение электрона в электрическом ускоряющем, тормозящем и поперечном поле

Если потенциал катода принять за нуль (ϕ_к = 0), то потенциал анода будет равен междуэлектродному напряжению анод—катод ϕ_а = U_а. Сила F, с которой электрическое поле действует на электрон, является векторной величиной, зависящей от заряда электрона q и напряженности поля Е: F = -qЕ.

Рассмотрим три варианта движения электрона в электрическом поле в зависимости от его начальной скорости. Если электрон I (рис. 1. 2) имеет начальную скорость v₁, совпадающую по направлению с вектором F, то он будет двигаться из точки 1 в точку 2 равноускоренно. В точке 2 его скорость увеличится до v₂. Такое поле называется ускоряющим. Перемещая электрон, поле производит работу

где U₂₁ - разность потенциалов конечной и исходной точек траектории электрона.

Кинетическая энергия, приобретенная электроном, равна совершенной работе

Из этого выражения можно определить, какую конечную скорость υ₂ = υ приобретает электрон, прошедший ускоряющую разность потенциалов U₂₁ = U, если его начальная скорость была равна нулю (υ₁ = 0):

Например, при напряжении U = 100 В конечная скорость электрона υ = 6∙10⁶ м/с.

В электровакуумных приборах часто используется тормозящее электрическое поле, в котором вектор силы F и вектор начальной скорости v направлены взаимно противоположно (электрон II, рис. 1.2), Этот случай соответствует движению электрона против направлении поля; он отдает свою энергию полю, скорость его падает до нуля, после чего он начинает двигаться назад. Распространен также случай, когда электрон III с начальной скоростью v₁ попадает в поперечное поле, направленное под углом 90° к вектору скорости электрона. Сила F, с которой взаимодействует поле, направлена в сторону большего потенциала. Возникает и постепенно увеличивается вертикальная составляющая скорости электрона; траектория его движения искривляется по параболическому закону — пунктирная линия на рис. 1.2.

Магнитное поле так же, как и электрическое, часто используется для управления потоком электронов. При анализе поток электронов уподобляют проводнику с током. Магнитное поле действует на электрон с силой F = ma = q[vB], где m — масса электрона, а — ускорение, q — заряд электрона, v — скорость движения, В — магнитная индукция.

Вектор силы F направлен перпендикулярно вектору скорости электрона и вектору магнитной индукции (магнитным линиям). Движение электрона зависит от его начальной скорости относительно магнитных линий. Если вектор скорости параллелен магнитным линиям, магнитное поле и электрон не взаимодействуют, так как сила F = 0. В случае, когда электрон имеет начальную скорость, направленную перпендикулярно магнитным линиям, сила F становится центростремительной и электрон движется по окружности с радиусом r = mυ²/F.

Рис. 1.3. Движение электрона в магнитном поле

Взаимодействие магнитного поля с электроном, у которого вектор начальной скорости v образует угол а с направлением магнитных линий, показано на рис. 1.3. Скорость электрона v разлагается на две составляющие, одна из которых v" совпадает по направлению с полем В, а вторая v' направлена перпендикулярно полю. Перпендикулярная составляющая заставляет электрон двигаться по окружности, благодаря другой составляющей электрон перемещается вдоль магнитного поля. Траектория результирующего движения имеет вид винтовой линии, радиус и шаг которой зависят от модуля и направления векторов скорости электрона и магнитного поля.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Шемякин А. Н., Прудыус А. С. и др.

Источник: Публикации представляет собой компиляцию из открытых источников, описывающих принципы работы ранних систем беспроводной связи (DECT, PACS, PHS). Устройство, монтаж и эксплуатация контактной сети и высоковольтных линий электропередачи

Публикации предназначены для подготовки и повышения квалификации специалистов, обслуживающих электроснабжение железных дорог, студентов и начинающих специалистов в области телекоммуникаций, радиотехники и электроники.