Тема 9. Контактные и термоэлектрические явления (стр. 2 )

                                       

                                               Рис. 9.3

Например, при температуре 1160 К  снижение значения  от 3 до 1 эВ приводит к возрастанию в 5∙108 раз. Поэтому при изготовлении электронных ламп применяются специальные покрытия катодов  и способы их обработки с целью уменьшения работы выхода. Современные катоды, изготовленные из никеля, покрытого слоем окисью бария или стронция, имеют работу выхода в пределах 1…1,2 эВ.

       Электровакуумные диоды применяются на практике для выпрямления синусоидального переменного тока. При этом используется свойство односторонней проводимости (вентильный эффект). В самом деле, если потенциал анода ниже, чем катода, электроны отталкиваются от анода, т. е. диод заперт. Следовательно, в течение одного полупериода, когда это условие выполняется, диод не проводит ток, в течение другого полупериода –проводит.

       Простейшая схема выпрямителя с электровакуумным диодом показана на рис. 9.4. Переменное синусоидальное напряжение  () подается на клеммы и . Поскольку ток в нагрузочном резисторе проходит только в те полупериоды, когда диод открыт, выходное напряжение имеет пульсирующую зависимость от времени. Для того чтобы избавиться от пульсаций, используют различные фильтры. Простейший из них представляет собой конденсатор, включенный параллельно нагрузке. При нарастании входного напряжения конденсатор быстро заряжается, по мере его уменьшения он разряжается (при этом ток в нагрузочном резисторе идет в прежнем направлении). Фильтры более сложной конструкции позволяют избавиться от пульсаций практически полностью.

                       

                                               Рис. 9.4

       В трехэлектродной лампе (триоде) кроме анода и катода имеется третий электрод, который называется сеткой. Обычно сетка представляет собой проволочную спираль, охватывающую катод. Электронный ток в триоде зависит не только от потенциала анода относительно катода,  но и от потенциала сетки. Если ее потенциал равен нулю, то количество электронов, достигающих анода, будет практически то же, что и в отсутствие сетки. В случае, когда потенциал сетки выше потенциала катода, анодный ток будет больше, в противном случае – меньше, чем при отсутствии сетки; при некотором значении потенциала на сетке анодный ток будет равен нулю.

       Таким образом, изменяя потенциал сетки, мы можем управлять током через лампу. Поскольку масса электронов ничтожно мала, инерционность триода также минимальна, т. е. управляющее действие сетки имеет место даже при очень быстрых изменениях потенциала на ней. Из-за близости сетки к катоду даже относительно небольшие изменения разности потенциалов оказывают большое влияние на силу анодного тока. Если построить график зависимости силы  от напряжения на сетке при постоянном анодном напряжении, получится кривая, изображенная на рис. 9.5. Величина называется крутизной анодно-сеточной характеристики; значительная ее часть прямолинейна. Это дает возможность, подавая на сетку небольшое синусоидальное напряжение, получать большие синусоидальные изменения анодного тока. При этом с резистора, включенного в анодную цепь, можно снимать переменное напряжение со значительно большей амплитудой,  чем амплитуда сеточного напряжения. На этом основано действие триода как усилителя мощности. Кроме того, триод используется в генераторах электромагнитных колебаний. С целью улучшения эксплуатационных характеристик  триода  в него вводятся

               

                                       Рис. 9.5

дополнительные сетки. Лампы, содержащие две, три и большее количество сеток, называются, соответственно,  тетродом, пентодом, гептодом и т. п.

9.3. Контактная разность потенциалов

       Опыт показывает, что если привести в соприкосновение с плотным механическим контактом два разнородных металла (либо полупроводника), между ними возникает разность потенциалов, которая называется контактной. Это явление обусловлено тем, что различные металлы  имеют разную энергию Ферми. Действительно, в такой ситуации электроны из одного металла будут переходить в другой до тех пор, пока их энергия на верхних заполненных уровнях в обоих металлах не станет одинаковой (рис. 9.6). В результате первый металл приобретет избыточный отрицательный,

                       

                                        Рис. 9.6

второй металл – избыточный положительный заряд,  и  между ними появится

разность потенциалов. На рис. 9.6 видно, что при этом энергия электронов в первом металле станет больше на величину . Поскольку  , ,  . Величина  называется контактной разностью потенциалов;  для различных металлов ее значение  колеблется от несколько десятых до нескольких вольт. Так как ,  ,

                                       .

Следовательно, значение контактной разности потенциалов определяется разностью энергий Ферми контактирующих металлов (аналогичные рассуждения справедливы и для полупроводников).

       Изменение потенциала в месте контакта происходит в очень тонком слое толщиной порядка нескольких межатомных расстояний. Рассмотрим этот слой как плоский конденсатор и оценим изменение концентрации свободных электронов в контактирующих металлах. В таком случае , где  и – заряд и электроемкость этого конденсатора. Поскольку

                                        ,  ,

имеем:

                               

(здесь – поверхностная плотность заряда,  – площадь контакта,  – его толщина). Как уже отмечалось,  В, 10-10 м. Положив для упрощения вычислений  м, находим, что Кл/м2. Для формирования такой поверхностной плотности заряда необходимо, чтобы через поверхность единичной площади перешло из одного металла в другой количество электронов . Общее количество свободных электронов в контактном слое , где – их количество в единице объема, равное примерно 1029 1/м3. Далее найдем отношение :