Для того чтобы электрон мог преодолеть силы, притягивающие его к ионной решетке металла, т. е. пройти через потенциальный барьер в поверхностном слое и удалиться из металла, необходимо затратить некоторую энергию. Максимальная кинетическая энергия, которую может иметь электрон внутри металла, недостаточна для этого. Поэтому для преодоления потенциального барьера к электрону необходимо приложить внешние силы или же каким-нибудь образом
сообщить ему дополнительное количество энергии. Работа, которая должна быть совершена на освобождение электрона из металла, называется работой выхода и является одной из важных характеристик металла; она связана с электрическим полем в поверхностном слое металла:
где интегрирование (вдоль любой траектории) должно производиться от какой-нибудь точки, взятой внутри металла, до точек, расположенных достаточно далеко от его поверхности. Для чистой поверхности вольфрама эта работа равна 4,5 эВ. У других (чистых) металлов она колеблется в пределах 1,8-5,3 эВ. Если поверхностный слой металла содержит какие-нибудь примеси, то работа выхода уменьшается; например, покрытие поверхности вольфрама тонким слоем цезия уменьшает работу выхода до 1,36 эВ.
В равновесном состоянии металла некоторое количество электронов, участвующих в беспорядочном тепловом движении, ежесекундно выходит за пределы поверхности металла, но затем, под действием указанных выше сил, вновь втягиваются внутрь металла. Эти электроны образуют вблизи поверхности металла так называемое электронное облако, толщина и плотность которого (число электронов в единице объема) увеличиваются с повышением температуры.
Эмиссию («испарение») электронов с поверхности металла можно получить следующими способами:
1) нагреть металл до очень высокой температуры и тем увеличить число электронов, приобретающих при тепловом движении большие скорости. Такие электроны, обладая большой кинетической энергией, могут преодолеть силы, препятствующие их освобождению из металла (термоэлектронная эмиссия);
2) воспользоваться сильным электрическим полем, которое «подхватывало» бы электроны из поверхности металла. Такая эмиссия электронов называется холодной, или автоэлектронной; она может быть вызвана и при низких температурах;
3) произвести облучение поверхности металла световыми, ультрафиолетовыми, рентгеновскими и другими лучами, энергия которых поглощается электронами. Электроны, вылетающие из металла, затрачивают часть полученной энергии на работу выхода, а остальную часть сохраняют в виде кинетической энергии. Такой способ эмиссии электронов называется фотоэлектрическим эффектом (фотоэлектронная эмиссия);
4) произвести бомбардировку поверхности металла электронами, ионами или другими частицами. Если эта бомбардировка производится электронами, то эмиссия обусловлена тем, что число вылетающих электронов больше, чем число бомбардирующих электронов (для чистых поверхностей - в 1,2 - 1,8 раза, а для поверхностей, содержащих примеси и покрытых тонким слоем окислов, - в десятки раз); такой способ вырывания называется вторичной электронной эмиссией.
Под вакуумом понимают газ или воздух, находящийся в состоянии найвысщего разрежения (давление порядка ). Вакуум является непроводящей средой, так как в нем содержится ничтожное количество электрически нейтральных частиц вещества.
Для получения в вакууме электрического тока необходим источник заряженных частиц - электронов, причем движение электронов в вакууме происходит практически без столкновений с частицами газа.
Источником электронов служит обычно металлйческий электрод - катод. При этом используется явление выхода электронов с поверхности катода в окружающую среду, называемое электронной эмиссией.
Свободные электроны в металле при отсутствии внешнего электрического поля беспорядочно перемещаются между ионами кристаллической решетки.
Рис. 13-6. Двойной электрический слой на поверхности металла.
При комнатной температуре выхода электронов из металла не наблюдается вследствие недостаточной величины их кинетической энергии. Часть электронов, обладающих наибольшей кинетической энергией, при своем движении выходит за поверхность металла, образуя электронный слой, который вместе с расположенным под ним в металле слоем положительных ионов кристаллической решетки образует двойной электрический слой (рис. 13-6). Электрическое поле этого двойного слоя противодействует электронам, стремящимся выйти из проводника, т. е. является для них тормозящим.
Для выхода электрона за пределы поверхности металла электрону необходимо, сообщить энергию, равную работе, которую он должен совершить по преодолению тормозящего действия поля двойного слоя. Эта работа называется работой выхода Отношение энергии выхода к заряду электрона называется потенциалом выхода, т. е. .
Работа (потенциал) выхода зависит от химической природы металла.
Значения потенциала выхода для некоторых металлов даны в табл. 13-1.
Таблица 13-1
В зависимости от того, каким способом сообщается электронам дополнительная энергия, необходимая для выхода из металла, различают виды эмиссии: термоэлектронную, электростатическую, фотоэлектронную, вторичную и под ударами тяжелых частиц.
Термоэлектронной эмиссией называется явление выхода электронов из катода, обусловленное исключительно нагревом катода. При нагревании металла скорости движения электронов и Их кинетическая энергия увеличиваются и число электронов, покидающих металл, возрастает. Все электроны, вылезающие из катода в единицу времени, если Они удаляются от катода внешним полем, образуют электрический ток эмиссии . При повышении температуры катода ток эмиссии растет сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее. На рис. 13-7 даны кривые плотности тока эмиссии, т. е. тока эмиссии, отнесенного к единице поверхности катода, выраженной в А/см2, в зависимости от температуры Т для различных катодов.
Рис. 13-7. Кривые плотности тока эмиссии в зависимости от температуры для различных катодов: а - оксидный; б - вольфрамовый, покрытый торием; в - вольфрамовый без покрытия.
Зависимость плотности эмиссионного тока от температуры и работы выхода выражается уравнением Ричардсона-Дэшмана:
где А - постоянная эмиссии; для металлов она равна ; Т - абсолютная температура катода, К; - основание натуральных логарифмов; - работа выхода, эВ; - постоянная Больцмана.
Таким образом, плотность тока эмиссии увеличивается пропорционально и так что для получения большого тока эмиссии необходим катод из материала с малой работой выхода и высокой рабочей температурой.
Если электроны, вылетевшие из катода (эмиттированные электроны), не удаляются от него внешним ускоряющим полем, то они скапливаются вокруг катода, образуя объемный отрицательный заряд (электронное облако), который создает вблизи катода тормозящее электрическое поле, препятствующее дальнейшему вылету электронов из катода.
Электростатической электронной эмиссией называется явление выхода электронов из поверхности катода, обусловленное исключительно наличием у поверхности катода сильного электрического поля.
Сила, действующая на электрон, находящийся в электрическом поле, пропорциональна заряду электрона и напряженности поля F - её. При достаточно большой напряженности ускоряющего поля силы, действующие на электрон, находящиеся у поверхности катода, становятся достаточно большими для преодоления потенциального барьера и вырывания электронов из холодного катода.
Электростатическая эмиссия находит применение в ртутных вентилях и некоторых других приборах.
Фотоэлектронной эмиссией называется явление выхода электронов, обусловленное исключительно действием излучения, поглощаемого катодом, и не связанное с его нагреванием. При этом электроны катода получают дополнительную энергию от частиц света - фотонов.
Лучистая энергия испускается и поглощается определенными порциями - квантами. Если энергия кванта, определяемая произведением постоянной Планка частоты излучения v, т. е. , больше работы выхода для материала данного катода то электрон может покинуть катод., т. е. будет иметь место фотоэлектронная эмиссия.
Фотоэлектронная эмиссия применяется в фотоэлементах.
Вторичной электронной эмиссией называется явление выхода вторичных электронов, обусловленное исключительно ударами первичных электронов о поверхность тела (проводника, полупроводника). Летящие электроны, называемые первичными, встречая на пути проводник, ударяются о него, проникают в его поверхностный слой и отдают часть своей энергии электронам проводника. Если дополнительная энергия, получаемая электронами при ударе, будет больше работы выхода, то эти электроны могут выйти за пределы проводника.
Вторичная электронная эмиссия используется, например, в фотоэлектронных умножителях для усиления тока.
Вторичная эмиссия может наблюдаться в электронных лампах, в которых анод подвергается воздействию электронов, летящих от катода. В этом случае вторичные электроны могут создать поток, встречный «рабочему», ухудшающий работу лампы.
Электронной эмиссией под ударами тяжелых частиц называется явление выхода электронов, обусловленное исключительно ударами ионов или возбужденных атомов (молекул) о поверхность тела - электрода. Этот вид эмиссии аналогичен рассмотренной выше вторичной электронной эмиссии.
26.07.14 11:28
Электронной эмиссией называется вылет электрона из металла (или другого какого-либо тела) и переход его в другую фазу (газ или вакуум) под действием добавочной энергии, сообщаемой электрону извне. Хотя в атомах поверхностного слоя любого тела электроны находятся на различных энергетических уровнях и, следовательно, обладают различной энергией, без подвода энергии извне только очень малая их доля (те электроны, которые обладают повышенной энергией) может пройти потенциальный барьер и выйти в другую фазу; остальные электроны остаются всегда в пределах своих атомов и молекул.
Наблюдается несколько типов электронной эмиссии (фото, термо и т. д.), в их числе и автоэлектронная (холодная) эмиссия - вырывание электронов под действием сильных электрических полей. Для осуществления эмиссии последнего рода требуется очень высокий градиент поля. Н. А. Кротова, В. В. Карасев, Ю. М. Кириллова и др. провели опыты, которые доказали, электризацию поверхностей отрыва и электронную эмиссию при быстром отрыве пленки от подложки.
Значение разрядных потенциалов, зазоров между пленкой и подложкой и плотности электризации поверхностей получены авторами на основе расчетов при помощи вспомогательного графика (кривой Пашена), причем энергия двойного электрического слоя принималась ими равной максимальной работе отрыва.
Опыты по установлению эмиссии электронов при отрыве пленок от подложек были проведены при помощи вакуумного адгезиометра при давлении около 10-5 мм рт. ст. Против границы отрыва на расстоянии 1 см на стеклянной пластинке помещался флуоресцирующий экран. Экран при отрыве в вакууме различных полимерных пленок от стеклянной подложки вспыхивал голубовато-зеленым светом; в темноте свечение было хорошо заметно даже на расстоянии нескольких метров.
Замечено было, что и стеклянная пластинка в местах, где идет отрыв пленки, также светится зеленоватым светом.
Почернение фотопластинки
Следовательно, у границы отрыва возникает излучение, вызывающее флуоресценцию экрана и стекла. Дальнейшие опыты показали, что это излучение вызывает также почернение фотопластинки, если она укреплена на месте флуоресцирующего экрана. Фотопластинка чернела при отрыве от подложки самых различных по своей структуре высокополимеров: натурального и синтетического каучуков, гуттаперчи, полиизобутилена, различных эфиров целлюлозы, полимеров винилового ряда и др.
Излучение наблюдалось при отрыве этих полимеров как от стекла, так и от металла. Авторы пришли к заключению, что это излучение не может быть ни рентгеновскими лучами, ни видимым светом: оно представляет собой поток электронов. В этом их убеждает также опыт по исследованию влияния магнитного поля на излучение. Как известно, фотоны, т. е. видимые и рентгеновские лучи в магнитном поле не отклоняются от своего прямолинейного пути: магнитное поле на них не действует.
По-другому ведут себя положительно или отрицательно заряженные частицы: первые отклоняются к отрицательному полюсу, вторые - к положительному. При напряженности магнитного поля около 25-30 эрстед авторам удалось получить достаточно четкое изображение неотклоненного и отклоненного пучка электронов.
В последнее время (1965-1966 гг.) автор книги совместно с Ю. М. Евдокимовым исследовал по новой методике электрические явления на границе контакта субстрат-адгезив. Изучалась адгезия некоторых полимеров к силикатному стеклу и металлам (сталь марки X и 1Х18Н9Т). Из полимеров были выбраны эфиры целлюлозы (ацетобутират (АБЦ), ацетопропионат и трипропионат целлюлозы), хлорсульфополиэтилен и липкий пластырь.
Склейки этих полимеров с подложками готовились путем налива 10%-ных растворов полимеров в соответствующих растворителях (ацетоне, четыреххлористом углероде) на обезжиренные поверхности подложек, за исключением липкого пластыря, который дублировался с подложкой путем прикатывания резиновым валиком.
Электронная эмиссия
Электрические явления выбранных систем (подложка+пленка) исследовались на вакуумном адгезиометре и по методике, предложенной Б. В. Дерягиным и Н. А. Кротовой.
После отрыва разъединенные поверхности у всех систем имели противоположные по знаку электрические заряды, которые контролировались на струнном электрометре (описание его см. ниже). Стекло и металлы во всех случаях заряжались положительно, а отрываемые поверхности полимеров - отрицательно. Были получены снимки электронной эмиссии, возникающей при отрыве полимерных пленок от стекла и металлов.
Электронная эмиссия обнаружена у всех исследуемых систем. На снимках видно неравномерное почернение пластинки. По-видимому, центры эмиссии электронов возникают в результате отрыва отдельных участков полимера от подложки. Хорошо заметно, что излучение идет параллельно поверхности пленки: наибольшее излучение заметно у границы отрыва, меньшее у излучающей пленки полимера.
При отрыве хлорсульфополиэтилена от стекла получены отдельные вспышки, которые, по-видимому, возникают при отрыве отдельных участков полимера от стекла; с удалением границы отрыва от пластинки, почернение фотопластинки не наблюдается, по всей вероятности, вследствие малой интенсивности излучения.
Подтверждением эмиссии электронов служит также снимок экрана из бумаги при засвечивании фотопластинки излучением, наблюдавшимся при отрыве полимерной пленки от подложки. На снимке ясно видны темный участок - следствие экранирования лучей бумажным экраном, и светлые участки - результаты действия на пластинку электронов, не встретивших на своем пути непрозрачного экрана. Эти снимки служат прямым доказательством электронной эмиссии, что говорит об определенной роли электрических сил, осуществляющих сцепление тел при контакте.
Лекция 2
Образование отрицательных ионов
Установлено, что галогены при ионизации способны присоединять электроны с образованием отрицательных ионов (галогены: F, Cl, Br, J). Наибольшее сродство к электрону имеет F, который часто вводится в дугу в виде солей (CaF2) с целью подавления пористости в металле шва. Присоединение атомами F отрицательных ионов приводит к тому, что в дуговой плазме уменьшается концентрация свободных электронов, хотя общее количество заряженных частиц остаётся постоянным. Электроны переносят основную часть тока. Отрицательные ионы F – тяжёлые малоподвижные частицы, которые осуществляют перенос тока значительно хуже. Поэтому при введении в зону сварки веществ, содержащих F, стабильность горения дуги резко ухудшается, особенно при сварке на переменном токе. Поэтому электроды типа УОНИ 13/45, содержащие в своём составе значительное количество CaF2, применяются на постоянном токе. Если сварку необходимо производить на переменном токе, тогда в состав подобных покрытий вводятся ионизирующие вещества, или применяется стабилизация дуги с помощью осцилляторов или генераторов импульсов.
Эмиссия электронов из поверхности катода
Для вырывания электрона из катода необходимо преодолеть силы притяжения электрона положительными зарядами катода. Для этого необходимо затратить определённое количество работы, которое называется работой выхода. Величина работы выхода зависит от материала катода и состояния его поверхности (наличие окисных и других плёнок). Для процесса в сварочной дуге основное значение имеют два вида эмиссии электронов: термоэлектронная и автоэлектронная.
Термоэлектронная эмиссия возникает при нагреве поверхности катода. При этом отдельные электроны могут получить энергию достаточную для выполнения работы выхода и покинуть поверхность катода. При отсутствии электрического поля над поверхностью катода образуется электронное облако, и дальнейший процесс эмиссии электронов прекращается.
С течением времени отдельные электроны из пространственного заряда возвращаются к телу заряда и втягиваются в металл. Происходит одновременно эмиссия электронов и втягивание их обратно в металл. При длительном нагреве металла с постоянной температурой устанавливается равновесная плотность эмиссии (количество эмитированных электронов равно количеству втянутых).
Плотность электронного тока может быть подсчитана по формуле:
j = AT 2 exp(-j/kt)
где j - работа выхода.
С увеличением температуры плотность тока термоэлектронной эмиссии возрастает. При температуре сварочной дуги устанавливается такая плотность термоэлектронной эмиссии, которая достаточна для поддержания устойчивого дугового разряда.
Автоэлектронная эмиссия . С целью облегчения эмиссии электронов из металла, разогретый металл – катод помещают в электрическое переменное поле. Полюса поля располагают следующим образом: ²-² на металле, ²+² на противоположном электроде – аноде.
Электрическое поле полностью или частично разрушает пространственный электрический заряд. Это облегчает эмиссию электронов из катода и увеличивает равновесную плотность эмиссии, которая рассчитывается по такой же зависимости.
Уравнение для тока термо- и автоэлектронной эмиссии приобретает вид:
В электрическом поле уменьшается работа выхода электрона на величину
Δj= 0 3/2 Е 1/2,
где Е – напряжённость поля.
Эмиссия под воздействием электрического поля называется автоэлектронной. Для сварки свойственны оба вида эмиссии.
Уменьшение работы выхода с поверхности электрода может служить одним из способов стабилизации дугового разряда.
Таблица - Работа выхода с поверхности катода для различных материалов
При наличии на поверхности электрода окисных плёнок работа выхода значительно уменьшается, особенно сильно снижают j плёнки окислов щелочных и щелочноземельных металлов. С целью улучшения стабильности горения дуги при сварке W электродами в состав электродов вводятся окислы La , такие электроды называются лантанированными. Ранее применяемые электроды содержали 1,5-2,5% двуокиси тория. ВТ-15 и ВТ-25 (1,5-2,5% двуокиси тория). Дуга при этом не блуждает по поверхности металла.
За рубежом и в нашей стране предпринимались попытки повышения стабильности путём снижения j электрона с поверхности плавящегося электрода. Для этого применяли активированную проволоку, т.е. покрытую тонким слоем солей. Наилучший эффект дают соли цезия (обеспечивает низкий потенциал ионизации). При этом измельчаются капли расплавленного металла.
Электронная эмиссия - явление испускания электронов поверхностью твёрдого тела или жидкости.
· Термоэлектронная эмиссия
Электронную эмиссию, возникающую в результате нагрева, называют термоэлектронной эмиссией (ТЭ). Явление ТЭ широко используют в вакуумных и газонаполняемых приборах.
· Электростатическая или Автоэлектронная эмиссия
Электростатической (автоэлектронной эмиссией) называют эмиссию электронов, обусловленную наличием у поверхности тела сильного электрического поля. Дополнительная энергия электронам твёрдого тела при этом не сообщается, но за счёт изменения формы потенциального барьера они приобретают способность выходить в вакуум.
· Фотоэлектронная эмиссия
Фотоэлектронная эмиссия (ФЭ) или внешний фотоэффект - эмиссия электронов из вещества под действием падающего на его поверхность излучения. ФЭ объясняется на основе квантовой теории твёрдого тела и зонной теории твёрдого тела.
· Вторичная электронная эмиссия
Испускание электронов поверхностью твёрдого тела при её бомбардировке электронами.
· Ионно-электронная эмиссия
Испускание электронов металлом при его бомбардировке ионами.
· Взрывная электронная эмиссия
Испускание электронов в результате локальных взрывов микроскопических областей эмиттера.
· Криогенная электронная эмиссия
Испускания электронов ультрахолодными, охлаждёнными до криогенных температур поверхностями. Мало изученное явление.
39. Блокинг-генератор: схема, принцип работы, временные диаграммы, область применения.
Бло́кинг-генера́тор - генератор сигналов с глубокой трансформаторной обратной связью, формирующий кратковременные (обычно около 1 мкс) электрические импульсы, повторяющиеся через сравнительно большие интервалы. Применяются врадиотехнике и в устройствах импульсной техники. Выполняются с использованием одного транзистора или одной лампы.
Теоретически блокинг-генератор работает и при согласном и при встречном включении обмоток трансформатора, но это два разных генератора с разными режимами работы и с разными характеристиками.
Блокинг-генератор представляет собой релаксационную схему, содержащую усилительный элемент (например, транзистор), работающий в ключевом режиме, и трансформатор, осуществляющий положительную обратную связь. Достоинствами блокинг-генераторов являются сравнительная простота, возможность подключения нагрузки через трансформатор (гальваническая развязка), способность формировать мощные импульсы, близкие по форме к прямоугольным.