Общий курс физики Том 3. Электричество - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
ЗАДАЧА
Твердый водород является диэлектриком, плотность которого при нормальном давлении равна 0,076 г/см3. Оценить плотность твердого водорода, при которой он становится металлом. Энергия ионизации атома водорода еион = 13,6 эВ = = 2,18-10'11 эрг.
Решение. Сжатие вещества сопровождается повышением уровня Ферми, которым при заданной плотности вещества определяется максимальная кинетическая энергия свободного электрона. Когда энергия Ферми (х становится равной энергии ионизации атома е[пн, происходит ионизация атомов диэлектрика. Наружные электронные оболочки атомов разрушаются, валентные электроны коллективизируются, и диэлектрик становится металлом. Таким образом, концентрация атомов диэлектрика п, при которой он становится металлом, определяется условием )i — еиоп. Определив величину п из формулы (99.6) и умножив ее на массу атома водорода тн, получим
ят„
Р«=-37;:Г (8теИ011) л «= 0,38 г/см3.
§ 101. Термоэлектронная эмиссия
1. То обстоятельство, что «свободные электроны» удерживаются внутри металла, указывает на то, что в поверхностном слое металла возникает задерживающее электрическое поле, препятствующее электронам выходить из металла в окружающий вакуум. Чтобы покинуть металл, электрон должен совершить некоторую работу, называемую работой выхода. Одна из причин возникновения работы выхода состоит в следующем. Если при тепловом движении электрон вылетит из металла, то он индуцирует на поверхности последнего заряды противоположного знака. Возникнет сила притяжения между электроном и поверхностью металла (так называемая «сила электрического изображения», см. §23), стремящаяся вернуть электрон обратно в металл. На преодоление этой силы требуется производство работы. Можно указать другую причину. Электроны, совершая тепловое движение, могут пересекать поверхность металла и удаляться от нее на небольшие расстояния (порядка атомных). Над поверхностью металла возникает электронная атмосфера, плотность которой быстро убывает при удалении от металла. Под ней у поверхности металла остается слой положительно заряженных ионов. В результате образуется двойной электрический слой, действующий подобно конденсатору. Он не создает электрического поля во внешнем пространстве.
469
токи В МЕТАЛЛАХ, ПОЛУПРОВОДНИКАХ И ВАКУУМЕ [ГЛ. VII
Зато на преодоление электрического поля внутри самого двойного слоя также требуется производство работы. Вероятно, существуют другие причины возникновения работы выхода. Однако мы не будем входить в обсуждение этого вопроса, а ограничимся в дальнейшем лишь феноменологическим учетом работы выхода.
2. При повылении температуры металла увеличивается кинетическая энергия теплового движения электронов вблизи границы Ферми. Здесь она может стать настолько большой, что некоторые пз электронов могут преодолевать задерживающий электрический потенциал на границе металла и выходить наружу. Если
в окружающем вакууме существует электрическое поле, направленное к поверхности металла, то оно будет увлекать вышедшие электроны, и через вакуум потечет электрический ток. Этот ток называется термоэлектронным, а само явление — термоэлектронной эмиссией. Оно было открыто Эдисоном (1847—1931) в 1883 г.
Для наблюдения термоэлектронной эмиссии удобна вакуумная лампа с двумя электродами, называемая вакуумным диодом. Катодом лампы служит проволока (нить) из тугоплавкого металла (вольфрам, молибден и пр.), накаливаемая электрическим током. Анод чаще всего имеет форму металлического цилиндра, окружающего накаливаемый катод. Если диод включить в электрическую цепь, показанную на рис. 243, то при холодном катоде ток через цепь не пойдет. Если же нагреть катод до белого каления, то миллиамперметр покажет ток. При изменении полярности батареи ток прекращается. Это доказывает, что носителями тока через вакуум являются отрицательно заряженные частицы, а именно электроны, так как никакими химическими превращениями вблизи электродов прохождение термоэлектронного тока не сопровождается.
Если, поддерживая температуру накаленного катода постоянной, менять напряжение V между анодом и катодом, то термоэлектронный ток сначала будет возрастать (рис. 244). Однако это возрастание идет не пропорционально V, так что для вакуумного диода закон
Рис. 243.
Рис. 244.
§ 101)
ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ
461
Ома не выполняется. По достижении определенного напряжения дальнейшее нарастание термоэлектронного тока практически прекращается. Последний достигает предельного значения называемого током насыщения. Наличие тока насыщения имеет весьма простое объяснение. Его величина определяется количеством термоэлектронов, которое в состоянии испариться с поверхности катода в единицу времени. Если электрическое поле настолько сильное, что оно отводит все электроны, испаряющиеся с поверхности катода, то дальнейшее увеличение напряженности поля уже не может привести к увеличению термоэлектронного тока. G этим и связано явление насыщения тока. Плотность термоэлектронного тока насыщения js определяет эмиссионную способность материала катода, т. е. максимальное количество электронов, которое может эмиттировать катод с единицы поверхности в единицу времени.
