Главная | Обратная связь

Электродные эффекты (приэлектродные процессы).

В газовом разряде электроды выполняют две функции:

1. Служат источником заряженных частиц.

2. Влияют на процессы горения - ограничивают разряд, поддерживают его функционирование в ограниченном объеме пространства.

Электродами могут служить твердые тела или жидкости, обычно с поверхности электрода происходит эмиссия электронов, но при определенных условиях электроды могут испускать положительные ионы. Обычно ионная эмиссия слаба, а сам процесс эмиссии ионов для поддержания разряда решающей роли не имеет.

Существует несколько видов эмиссии электронов с поверхности электрода.

Термоэлектронная эмиссия.

Внутри твердого тела электроны могут двигаться свободно в какой-то степени, ибо они связаны с частицами тела электростатическими силами (Кулоновские), а эти силы препятствуют выходу электронов из тела через поверхность. Для преодоления этих сил требуется некий минимальный квант энергии, подобно тому, как квант энергии необходим для ионизации атома. Такую энергию называют работой выхода, обычно выражают в виде А=е φ, т.е. в виде потенциала выхода φ в вольтах. Для данного материала работа выхода приблизительно постоянна и φ меньше потенциала ионизации свободных атомов того же материала. Причиной этого является влияние окружающих атомов, формирующих поверхность тела. Один из способов сообщить поверхностному электрону необходимую энергию для эмиссии состоит в повышение температуры материала. С помощью квантовой статистики можно получить формулу для плотности тока электронов j, эмитируемых из металла с работой выхода φ _е, находящегося при температуры Т

J=A Т² =А Т²

где q_e - заряд электрона. >

Здесь е - заряд электрона; k - постоянная Больцмана; А - константа, теоретически равная 4π е m k²/h³= 120 А/см². Практически значение А для большинства металлов составляет примерно половину указанного, что связано с влиянием примесей и дефектов поверхности. Формула находится в хорошем согласии с экспериментальными значениями j.

Как видно из формулы, эмиссия возрастает с уменьшением потенциала выхода . Поэтому разработаны катоды, специально рассчитаны на повышение эффекта термоэлектронной эмиссии. Это осуществляется тем, что материал катода содержит металлы и окислы с низкой работой выхода. При комнатной температуре термоэлектронная эмиссия пренебрежимо мала, она становится заметной при температуре порядка 1000 К и при увеличении температуры эмиссия быстро растет.

Заметное влияние на термоэлектронную эмиссию из электрода могут оказать свойства окружающего газа. Газ может адсорбироваться как примесь или образовать химическое соединение на поверхности, тем самым, влияя на работу выхода электронов.

Внешний фотоэффект.

Энергию, необходимую для удаления электрона из металла, можно взять от фотона с частотой и, если удовлетворяется условие . Теоретически работа выхода в этой формуле должна совпадать с работой выхода при термоэлектронной эмиссии, но значение φ для фотоэффекта гораздо больше, чем для термоэлектронной эмиссии. Причиной является состояние - дефекты поверхности. Имеется предельное значение частоты , когда фотоэффект реализуется для большинства металлов, эта частота летит в ультрафиолетовой области. Если поверхность специально приготовлена с использованием щелочных металлов, например цезия, то граничную частоту можно сместить в инфракрасную область.

Эмиссия электронов при электронном ударе.

При соударении электронов с поверхностью твердого тела они могут освободить вторичные электроны. Для металлов отношение числа вторичных к числу первичных электронов больше единицы, при высоких энергиях первичных электронов, порядка 100-1000 эВ, оно доходит до 1,5 и выше. У диэлектриков это число выше. Для разрядов на постоянном токе эмиссия вторичных электронов не имеет существенного влияния, так как ускоренные электроны взаимодействуют только с анодом.

Вторичная эмиссия существенна в высокочастотных разрядах при низком давлении.

Эмиссия частиц с поверхности при ударе положительных ионов.

Если полная энергия положительного иона W, соударяющегося с поверхностью металла, более чем вдвое превосходит работу выхода электрона , то из поверхности выходят два электрона: один нейтрализует ион, другой остается свободным. Вероятность этого события измеренная в электронах на падающий ион, возрастает при увеличении скорости иона, сильно зависит от природы газа и материала электрода, состояния поверхности и давления газа. Когда ион может отразиться в виде нейтрального атома, без высвобождения свободного электрона.

Положительные ионы могут выбивать частицы материала электрода => распыление катода.

Эмиссия при ударе нейтральных атомов.

Нейтральные атомы способны выбивать вторичные электроны, если они имеют достаточную для этого кинетическую энергию, а в случае возбужденного атома - достаточную полную энергию, т.е. . Вероятность процесса сильно зависит от природы материала, от условий, обычно находится в пределах от 0,01 до 0,5 электрона на атом.

Холодная (автоэлектронная) эмиссия.

Когда между нагреваемым катодом и анодом создается сильное электрическое поле, то появляется сила, вытягивающая электронов из тела. Это увеличивает обычную термоэлектронную эмиссию, так как понижает работу выхода. Это - эффект Шоттки. Эффект немного увеличивает выход электронов, когда Е достигает значений порядка . Обычно эффект Шоттки учитывается путем введения поправки в формулу . Значение зависит от источника тока, межэлектродного расстояния, а также от физических процессов в области катодной привязки разряда. Например, смещение поля создается, если поверхность катода частично покрыта мелкими крупицами диэлектрического материала [стр.40 Ховатсон].