В металах атоми є дісоційованими на позитивно заряджені іони, які утворюють кристалічну гратку, знаходячись у її вузлах, і валентні електрони, котрі можуть майже вільно рухатися між іонами та знаходяться у тепловому хаотичному русі. Завдяки цьому та за наявності зовнішнього накладеного електричного поля метали проводять електричний струм. Хоча валентні електрони можуть майже вільно рухатись у металі, між валентними електронами та іонами кристалічної гратки існує енергія зв’язку і електрони не можуть вільно покинути межі металу. Для переміщення електрону за межі металічного тіла потрібно виконати роботу. Така робота називається роботою виходу електрона з поверхні метала. Вона залежить від природи металу та стану його поверхні. Для чистих металів робота виходу становить декілька електронвольт (1 еВ дорівнює 1,6·10-19 Дж).
Валентні електрони мають різні теплові швидкості, розподіл теплових швидкостей цих електронів згідно класичних уявлень є максвеловським. Незважаючи на велику кількість валентних електронів (наприклад, концентрація валентних електронів у міді становить приблизно 8,5·1028 м -3), при кімнатній температурі тільки у незначної їх кількості може вистачити кінетичної енергії, щоб перевищити роботу виходу та звільнитись з металу. Підвищення температури призводить до збільшення кількості електронів, здатних подолати вплив кристалічної гратки і покинути метал (типовими температурами є значення порядку 1000 К). Явище вивільнення електронів з поверхні твердого тіла під дією температури називають термоелектронною емісією.
Електрони, що вилетіли за межі металевого тіла створюють поблизу нього електронну хмару. Електричне поле цієї негативно зарядженої хмари, протидіє подальшому вивільненню електронів з поверхні металу. Таким чином створюється динамічна рівновага: кількість електронів, що покидають поверхню металу за заданої температури металевого тіла, дорівнює кількості електронів, що повертається під дією негативного потенціалу електронної хмари.
Якщо на випущені металом електрони накласти зовнішнє електричне поле, вони стануть рухатися, створюючи електричний струм. Таку ситуацію можна реалізувати, якщо помістити нагрітий метал у вакуум і підключити до нього негативний полюс постійного джерела ЕРС (катод), а до іншого електроду (анод), що знаходиться на певній відстані від нагрітого металу, – позитивний. Відсутність повітря (вакуум) покликана запобігти зіткненням електронів із молекулами газу та збільшити електричний струм у катод-анодному просторі. Пристрій із двома вміщеними у вакуум різнойменно зарядженими електродами, на катоді якого реалізуються умови термоелектронної емісії називається двохелектродною лампою або вакуумним діодом (див. схему на Рис. 1). Такі пристрої та їх модифікації знайшли широкий вжиток у сучасних потужних джерелах НВЧ-випромінювання для прискорювачів елементарних частинок, супутникового зв’язку та ракетно-космічної техніки.
К „–” А „+”
ІА
Рис. 1.
З допомогою такої лампи можна вивчити залежність термоелектронного струму IA від різниці потенціалів (напруги) між катодом і анодом UA. Виявляється, що струм у лампі не описується законом Ома, а має більш складну залежність від напруги та температури катоду. При постійній температурі катоду і до певних значень анодної напруги струм у лампі підпорядковується закону Чайлда-Ленгмюра (1911 р.):
,
де коефіцієнт пропорційності P зумовлений формою та розташуванням електродів і називається первеансом. Зростання напруги призводить до збільшення кількості електронів, що переміщуються від катода до анода. Але за певного значення анодної напруги, всі електрони, що виходять з поверхні катода, переміщуються до анода і подальше збільшення напруги не призводить до зростання анодного струму. Така напруга називається напругою насичення. Збільшити струм в цій ситуації (струм насичення) можна тільки підвищенням температури катоду.
Закон Чайлда-Ленгмюра відображує той факт, що розподіл некомпенсованого (на відміну від, наприклад, електричного струму у звичайному дроті) заряду струму електронів, які знаходяться між катодом та анодом, впливає на просторовий розподіл потенціалу та рух цих самих електронів.
Якщо між катодом і анодом помістити третій електрод і подати на нього позитивний потенціал відносно катоду, електричний струм з катоду на анод збільшиться при постійних температурі катоду та катод-анодній напрузі, тому, що створене додаткове електричне поле буде діяти на електрони в тому ж напрямку, що й основне (створене катод-анодною напругою). Цей третій електрод розташовують поблизу від поверхні катода, щоб збільшити напруженість додаткового електричного поля за не дуже великих потенціалів. Щоб електрони могли пролітати відстань від катода до анода, додатковий електрод роблять „прозорим”. Для цього його виготовляють з тонкого металевого дроту у вигляді сітки. Звідси і назва цього електроду – сітка. Якщо на сітку подати негативний потенціал, то струм у лампі зменшиться. За певної величини негативного потенціалу сітки, додаткове електричне поле, створене між анодом і сіткою компенсує основне і струм у лампі зникне. Таким чином, змінюючи напругу між катодом та сіткою, можна керувати струмом з катоду на анод цієї лампи. Тому сітку називають електродом управління, а такий пристрій – трьохелектродною лампою або вакуумним тріодом. Електричну схему установки для дослідження властивостей тріоду показано на Рис. 3.
Характеристики вакуумного тріода можна вивчати, знімаючи залежності струму IA від напруги між катодом і сіткою UC при постійній напрузі між катодом і анодом UA. Такі залежності називають анодно-сітковими характеристиками тріоду.
мА
UA +
V Джерело
+UA;±UC;~UН
+ Uc=±3В IA _
_
~UН=5В
Рис. 3. Схема установки для вивчення анодно-сіткових характеристик вакуумного тріода.
Властивості тріоду можна повністю описати параметрами, що визначаються з анодно-сіткових характеристик при двох різних значеннях напруги UA (UA2 > UA1).
