Исследование закономерностей термоэлектронной эмиссии можно провести с помощью двухэлектродной лампы (вакуумного диода), представляющего собой откачанный стеклянный или металлический баллон, содержащий два электрода - катод (К) и анод (А). В этом случае катодом служит нить из тугоплавкого металла (вольфрама), накаливаемая электрическим током. Анод чаще всего имеет форму металлического цилиндра, окружающего катод.
Включим диод в электрическую цепь, как показано на рис.2. В этой схеме ток источника Ԑ1 нагревает катод до высокой (более 1000оС) температуры. Источник Ԑ2 создает разность потенциалов между катодом и анодом, измеряемую вольтметром V. Анодное напряжение считается положительным, если потенциал анода выше потенциала катода. Ток в анодной цепи измеряется миллиамперметром (мА).
Обычно при постоянной температуре накаленного катода определяют зависимость анодного тока IA от анодного напряжения UА. Данная зависимость называется вольтамперной характеристикой (ВАХ) диода. Она представлена на рис.3. Как видно, ВАХ диода является нелинейной (т. е. не укладывается на прямую линию). Следовательно, для вакуумного диода закон Ома не выполняется.
При Ua = 0 анодный ток I0 мал, но отличен от нуля. Вылетевшие из катода электроны образуют вокруг него отрицательный пространственный заряд – электронное облако, которое отталкивает вылетающие из катода электроны и большинство из них возвращает обратно к катоду. Образование электронного облака над поверхностью раскаленного металла представляет собой явление, аналогичное испарению жидкости. Но небольшое число электронов обладают энергией, достаточной для преодоления работы выхода и отталкивающего действия электронного облака и достигают анода даже без приложения электрического поля. Именно они и создают ток I0.
Рис. 2.
В области малых положительных значений Ua анодный ток IA резко возрастает. Этот участок вольтамперной характеристики описывается законом
трех вторых, полученным теоретически Богуславским и и Ленгмюром:
(3)
где k - коэффициент, зависящий от формы и размеров электродов и их взаимного расположения.
На данном участке зависимости происходит быстрое рассасывание основной массы электронного облака. При дальнейшем увеличении анодного напряжения наблюдается слабый рост анодного тока, соответствующий рассасыванию оставшейся массы электронного облака. Этот рост постепенно замедляется и при некотором значении анодного напряжения ток достигает значения IН, называемого током насыщения, и не изменяется с ростом анодного напряжения. Это означает, что электронное облако полностью рассосалось и не оказывает никакого тормозящего действия на электроны, эмитированные с катода: они все достигают анода. Поэтому дальнейшее увеличение напряжения не может привести к увеличению силы тока. Плотность тока насыщения характеризует эмиссионную способность катода, которая зависит от природы катода и его температуры.
Рис. 3. Вольтамперная характеристика диода
Как отмечалось, применяя активированные катоды, удается снизить работу выхода и получить необходимую величину тока насыщения при значительно более низких температурах катода, что приводит к значительному увеличению срока его работы. Это явление используется в приборах, в которых необходимо получить поток электронов в вакууме: в электронных лампах, электронно-лучевых трубках, рентгеновских трубках, электронных микроскопах и т. д.
С увеличением температуры катода увеличивается число эмитированных в единицу времени электронов и ток насыщения возрастает. При этом увеличивается и значение анодного напряжения, при котором наступает насыщение (рис. 3).
При отрицательном напряжении (потенциал катода выше потенциала анода) ток в анодной цепи быстро уменьшается и в дальнейшем прекращается, т.е. вакуумный диод обладает односторонней проводимостью, что позволяет применять его в качестве выпрямителя.
C увеличением UА до нескольких сотен вольт плоский участок ВАХ сменяется слабым ростом I. Это обусловлено уменьшением работы выхода электрона из металла под действием электрического поля и носит название эффекта Шоттки.