Электрический ток в неметаллах

      Обратите  внимание, что вольтамперная характеристика диода нелинейная, как это имеет  место в случае металлических  проводников. Сопротивление диода, найденное как частное от деления  анодного напряжения на силу тока, при  разных анодных напряжениях будет  разным и не может служить параметром диода. Таким образом, электронная  лампа является примером проводника, для которого не выполняется закон  Ома.

       Поскольку накаливаемый диод лампы  испускает электроны, а не положительные  ионы, диод проводит ток только в  случае сообщения аноду лампы  положительного относительно катода потенциала. Если же аноду сообщить отрицательный  потенциал, то термоэлектроны будут  отталкиваться от отрицательно заряженного  анода и притягиваться к положительно заряженному катоду и ток через  лампу не идет – лампа запирается. Это означает, что лампа обладает односторонней проводимостью. Односторонняя  проводимость диода широко используется в технике для выпрямления  переменного тока.

       Для управления термоэлектронным

током в лампе применяются многоэлектродные (трех - и более) лампы – триоды, тетроды, пентоды. В триоде между  анодом и катодом помещен третий электрод – управляющая сетка, сквозь которую проходят электроны, летящие от катода к аноду. Обычно сетка – это спираль из нескольких витков тонкой проволоки вокруг катода. Управляющая сетка располагается вблизи катода, так что, даже при малом напряжении между сеткой и катодом (сеточное напряжение), вблизи катода создаётся электрическое поле, которое существенно влияет на движение электронов в триоде.

      Если  на сетку подаётся положительный  потенциал относительно катода (рис.6), то значительная часть электронов пролетает  от катода к аноду, и в цепи анода  существует электрический ток. При  подаче на сетку отрицательного потенциала относительно катода электрическое  поле между сеткой и катодом препятствует движению электронов от катода к аноду (рис.7), анодный ток убывает. Таким  образом, изменяя напряжение между  сеткой и катодом, можно регулировать силу тока в цепи анода, что и послужило  причиной названия сетки управляющей.

        Условное графическое обозначение  триода показано на рис.8. Промышленность  выпускает широкий ассортимент  самых разных триодов, а также  двойных триодов с общим и  раздельными катодами, которые применялись  в разной радиоаппаратуре, еще  находясь в эксплуатации.

       К параметрам триода относятся: внутреннее сопротивление – отношение приращения анодного напряжения к приращению анодного тока, коэффициент усиления – отношение  приращения анодного напряжения к приращению напряжения на сетке, крутизна характеристики анодного тока – отношение приращения анодного тока к приращению напряжения на сетке:

      Внутреннее  сопротивление Ri измеряется в кОм, крутизна характеристики S – в А/В, коэффициент усиления µ – величина безразмерная.

      Триод используется в радиотехнических устройствах  для усиления слабых переменных токов  в ламповом генераторе. Триод также  применяют, как генератор электрических  колебаний.

      3.3. Фотоэлектронная  эмиссия - это испускание электронов под действием сета, рентгеновского излучения. Для создания фотоэлектронной эмиссии применяют фотокатоды. Эффект фотоэлектронной эмиссии  наблюдается, когда энергия падающих квантов электромагнитного излучения больше работы выхода электронов χ из материала катода:

hν>χ

где h=4,13·10-15 эВ·с – постоянная Планка; ν1014…1015 Гц – частота  электромагнитного излучения.

      Пороговая энергия фотоэлектронной эмиссии  определяется из выражения  hν_кр=χ, где ν_кр – пороговая частота фотоэлектронной эмиссии (известная, как красная граница фотоэффекта).

      3.4. Вторичная электронная эмиссия — это испускание электронов поверхностью металлов, полупроводников или диэлектриков при бомбардировке их пучком электронов. Вторичный электронный поток состоит из электронов, отраженных поверхностью (упруго и неупруго отраженные электроны), и «истинно» вторичных электронов — электронов, выбитых из металла, полупроводника или диэлектрика первичными электронами. Отношение числа вторичных электронов n₂ к числу первичных n₁, вызвавших эмиссию, называется коэффициентом вторичной электронной эмиссии:

δ = n₂ / n₁.

      Коэффициент δ зависит от природы материала поверхности, энергии бомбардирующих частиц и их угла падения на поверхность. У полупроводников и диэлектриков δ больше, чем у металлов. Это объясняется тем, что в металлах, где концентрация электронов проводимости велика, вторичные электроны, часто сталкиваясь с ними, теряют свою энергию и не могут выйти из металла. В полупроводниках и диэлектриках же из-за малой концентрации электронов проводимости столкновения вторичных электронов с ними происходят гораздо реже и вероятность выхода вторичных электронов из эмиттера возрастает в несколько раз.

      ΙV. Термоэлектрические явления

      Термоэлектрические  явления - совокупность физических явлений, обусловленных взаимосвязью между тепловыми и электрическими процессами в металлах и полупроводниках. Термоэлектрическими яявлениями являются эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона.

      4.1. Зеебека эффект состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает эдс (термоэдс), если места контактов поддерживают при разных температурах. В простейшем случае, когда электрическая цепь состоит из двух различных проводников, она называется термоэлементом, или термопарой. Величина термоэдс зависит только от температур горячего T1 и холодного T2 контактов и от материала проводников. В небольшом интервале температур термоэдс Е можно считать пропорциональной разности (T1 – T2), то есть Е = a(T1 –Т2). Коэффициент a называется термоэлектрической способностью пары (термосилой, коэффициента термоэдс, или удельной термоэдс). Он определяется материалами проводников, но зависит также от интервала температур; в некоторых случаях с изменением температуры a меняет знак. В таблице приведены значения а для некоторых металлов и сплавов по отношению к Pb для интервала температур 0 - 100 °С (положительный знак a приписан тем металлам, к которым течёт ток через нагретый спай). Однако цифры, приведённые в таблице, условны, так как термоэдс материала чувствительна к микроскопическим количествам примесей (иногда лежащим за пределами чувствительности химического анализа), к ориентации кристаллических зёрен, термической или даже холодной обработке материала. На этом свойстве термоэдс основан метод отбраковки материалов по составу. По этой же причине термоэдс может возникнуть в цепи, состоящей из одного и того же материала при наличии температурных перепадов, если разные участки цепи подвергались различным технологическим операциям. С другой стороны, эдс термопары не меняется при последовательном включении в цепь любого количества др. материалов, если появляющиеся при этом дополнительные места контактов поддерживают при одной и той же температуре.

      4.2. Пельтье эффект обратен явлению Зеебека: при протекании тока в цепи из различных проводников, в местах контактов, в дополнение к теплоте Джоуля, выделяется или поглощается, в зависимости от направления тока, некоторое количество теплоты Qn, пропорциональное протекающему через контакт количеству электричества (то есть силе тока I и времени t): Qn=ПIt. Коэффициент П зависит от природы находящихся в контакте материалов и температуры (коэффициент Пельтье).

      4.3. Эффект Томсона.  У. Томсон вывел термодинамическое соотношение между коэффициентом Пельтье и Зеебека (a), которое является частным проявлением симметрии кинетического коэффициента: П = aТ, где Т — абсолютная температура, и предсказал существование третьего термоэлектрического явления — Томсона эффекта.

      Оно заключается в следующем: если вдоль  проводника с током существует перепад  температуры, то в дополнение к теплоте  Джоуля в объёме проводника выделяется или поглощается, в зависимости  от направления тока, дополнительное количество теплоты Qt (теплота Томсона):

      Qt = t (T2— T1) lt,

где t — коэффициент Томсона, зависящий от природы материала. Согласно теории Томсона, удельная термоэдс пары проводников связана с их коэффициентом Томсона соотношением:

      da/dT= (t1— t2)/ Т.

      4.4 Применение термоэлектрических  явлений. Явление Зеебека используется для измерения температуры. Для этого применяются термопары - датчики температур, состоящие из двух соединенных между собой разнородных металлических проводников. Точность определения температур с помощью термопар достигает 0,01 К. Чувствительность термопар повышается при последовательном их соединении в термобатареи (термостолбики).

      Термопары применяются как  для измерения  ничтожно малых разностей температур, так и  очень высоких и очень  низких температур. Кроме того термопары  имеют большую чувствительность, допускают дистанционные измерения.

      Уже сейчас КПД полупроводниковых термобатарей  достигает 18%. Следовательно, совершенствуя  полупроводниковые термоэлектрогенераторы, можно добиться  эффективного прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.

      Явление Пельтье используется в термоэлектрических полупроводниковых холодильниках, созданных впервые в 1954 году под  руководством  академика А.Ф.Иоффе  и в некоторых электронных  приборах.

      Список  используемой литературы

1. Говорякин Р.Г., Шепель В.В. Курс общей физики. М.: Издательство «Высшая школа», 1972.
2. Кабардин О.Ф. Физика: Справочные материалы: Учебное пособие для учащихся – 2-е издание. М.: Издательство «Просвещение», 1988.
3. Модинос А. Авто-, термо- и вторично-электронная эмиссионная спектроскопия: Пер. с англ. / Под ред. Г.Н. Фурсея. М.: Наука, 1990, с. 320.
4. Савельев И. В. Курс общей физики, т.3, М., Наука, 1979, с. 213.
5. Фридрихов С.А., Мовнин С.М. Физические основы электронной техники: Учебник для вузов.- М.: Высшая школа, 1982, с. 608.