Скачать презентацию Электрический ток в жидкостях Жидкости по степени Скачать презентацию Электрический ток в жидкостях Жидкости по степени

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК3A.pptx

  • Количество слайдов: 78

Электрический ток в жидкостях Электрический ток в жидкостях

Жидкости по степени электропроводности делятся на диэлектрики (дистиллированная вода) и проводники (электролиты) При растворении Жидкости по степени электропроводности делятся на диэлектрики (дистиллированная вода) и проводники (электролиты) При растворении молекул электролита в жидком растворителе эти молекулы распадаются на + и - ионы - происходит диссоциация. Прохождение тока по электролиту сопровождается выделением на электродах веществ, входящих в электролиты. Положительно заряженные ионы (анионы) движутся к катоду, где они получают электроны - происходит восстановительная реакция. Отрицательно заряженные ионы (катионы) – движутся к аноду, где они отдают лишние электроны - идет окислительная реакция

Выделение на катоде вещества, входящего в состав электролита, называется электролизом. Закон Фарадея: масса вещества Выделение на катоде вещества, входящего в состав электролита, называется электролизом. Закон Фарадея: масса вещества (m), выделившегося на катоде, прямо пропорциональна заряду (q), прошедшему через электролит: m = k∙I∙Δt = k∙∙q где k — электрохимический эквивалент вещества численно равный массе выделившегося вещества, при переносе заряда в 1 Кл. Применение электролиза. Получение алюминия , очистка металлов от примесей, получение водорода. Электрометаллургия. Гальваностегия -никелирование, хромирование. Гальванопластика – воспроизведение форм предметов в матрицах.

Электрический ток в газах Электрический ток в газах

Идеальный газ является изолятором. Поэтому электрический ток в газе (газовый разряд) возникает в результате Идеальный газ является изолятором. Поэтому электрический ток в газе (газовый разряд) возникает в результате какого-либо внешнего воздействия. Если ток в газе возникает в сильных электрических полях, то это самостоятельный газовый разряд. Если ток в газе возникает под действием внешнего ионизатора, то это несамостоятельный газовый разряд.

Феноменологическая теория газового разряда Внешний ионизатор L S V A Между двумя параллельными пластинами Феноменологическая теория газового разряда Внешний ионизатор L S V A Между двумя параллельными пластинами ( S –площадь пластин, L- расстояние между ними) находится газ, который подвергается воздействию внешнего ионизатора. На пластины подается регулируемое напряжение, контролируемое вольтметром, сила тока в цепи измеряется амперметром.

ионизация М + Ионизация - В результате внешнего воздействия нейтральная молекула (атом) распадается на ионизация М + Ионизация - В результате внешнего воздействия нейтральная молекула (атом) распадается на + и – ионы (+ ион и – электрон). Δni – число пар ионов, возникающих в единице объема в единицу времени под действием внешнего ионизатора - Рекомбинация – процесс соударения + и – ионов, в результате которого восстанавливается нейтральная молекула. М Δnr – число пар ионов, рекомбинирующих в единице объема в единицу времени Рекомбинация Помимо этих процессов на концентрацию пар ионов в объеме влияет прохождение тока - + и – ионы достигают пластин, где превращаются в нейтральные частицы. Δnj – число пар ионов, уходящих из объема вследствие прохождения электрического тока

В условиях динамического равновесия число пар ионов, возникающих в объеме должно быть равно числу В условиях динамического равновесия число пар ионов, возникающих в объеме должно быть равно числу пар, уходящих из объема: Δni= Δnr+ Δnj Δni- определяется мощностью внешнего ионизатора Δnr – пропорционально числу + ионов Δnr~ n+∙n- ~ n 2 пропорционально числу - ионов где n – концентрация пар ионов Δnr= r∙n 2 где r – коэффициент рекомбинации Δnj -это число пар ионов, уходящих в единицу времени из единицы объема. Из всего объема уходит в единицу времени Δnj ∙V= Δnj∙L∙S, но это не что иное как сила тока : I = е∙Δnj∙L∙S. Плотность тока Откуда

Определим зависимость равновесной концентрации пар ионов от напряженности поля Е, используя соотношение: Определим зависимость равновесной концентрации пар ионов от напряженности поля Е, используя соотношение:

Это достаточно громоздкое выражение легко упростить в двух предельных случаях Случай слабого поля В Это достаточно громоздкое выражение легко упростить в двух предельных случаях Случай слабого поля В случае слабого поля изменением концентрации пар ионов вследствие прохождения тока можно пренебречь В случае слабого поля выполняется закон Ома

Случай сильного поля В случае сильного поля процессом рекомбинации можно пренебречь – все пары Случай сильного поля В случае сильного поля процессом рекомбинации можно пренебречь – все пары ионов, возникшие под действием внешнего ионизатора успевают достичь пластин не рекомбинируя В случае сильного поля плотность тока не зависит от Е

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) несамостоятельного газового разряда j I-II II I E I - область Вольт-амперная характеристика (ВАХ) несамостоятельного газового разряда j I-II II I E I - область слабого поля I -II- переходная область II- область сильного поля III – область резкого возрастания тока

Некоторые понятия, используемые в теории атомных столкновений λ- длина свободного пробега - расстояние, проходимое Некоторые понятия, используемые в теории атомных столкновений λ- длина свободного пробега - расстояние, проходимое микрочастицей между двумя последовательными столкновениями; Ɛi –энергия ионизации – это энергия, необходимая для ионизации атома или молекулы; Упругое столкновение – столкновение частиц, при котором выполняются закон сохранения энергии и импульса. Неупругое столкновение – столкновение, при котором одна из микрочастиц передает свою энергию другой

Схема образования электронной лавины Если на длине свободного пробега электрон успевает набрать энергию, которой Схема образования электронной лавины Если на длине свободного пробега электрон успевает набрать энергию, которой достаточно для ионизации атома или молекулы, то в процессе неупругого столкновения образуется + ион и электрон

Математическое описание процесса образования лавины dn – число электронов, образованных в слое толщиной dx Математическое описание процесса образования лавины dn – число электронов, образованных в слое толщиной dx К dx А n Х 0 x L dn- пропорционально числу электронов, падающих на слой: dn~n dn- пропорционально толщине слоя dx: dn~dx dn=α∙n∙dx, где α- коэффициент линейной ионизации ln n =α∙x n= n 0∙e αx – закон изменения концентрации электронов от катода к аноду

Условия перехода к самостоятельному разряду К А n 1 - полное число электронов, покидающих Условия перехода к самостоятельному разряду К А n 1 - полное число электронов, покидающих катод n 1 еαL - число электронов, дошедших до анода n 1(еαL -1) - число электронов, образовавшихся в лавине n 1(еαL -1) – число + ионов, образовавшихся в лавине + ионы бомбардируют катод, выбивая из него электроны γ –коэффициент вторичной эмиссии – среднее число электронов, выбиваемых одним ионом γ∙n 1(еαL -1) число электронов, покидающих катод вследствие ионной бомбардировки n 0 - число электронов, покидающих катод под действием внешнего ионизатора

Тогда n 1 = n 0 + γ∙n 1(еαL -1) – число электронов, покидающих Тогда n 1 = n 0 + γ∙n 1(еαL -1) – число электронов, покидающих катод из-за ионной бомбардировки и под действием внешнего ионизатора, т. е. полное число электронов, покидающих катод. Откуда При 1 -γ(eαL-1)=0 n 1→∞, если n 0≠ 0 Т. е. достаточно одного «шального» электрона, чтобы возникла лавина 1 -γ(eαL-1)=0 Условие перехода к самостоятельному разряду

Виды газовых разрядов Феноменологическая теория газового заряда не охватывает всего многообразия видов и форм Виды газовых разрядов Феноменологическая теория газового заряда не охватывает всего многообразия видов и форм газового разряда. Рассмотрим вкратце некоторые их них.

Тлеющий разряд наблюдается в газах при низких давлениях порядка нескольких десятков миллиметров ртутного столба Тлеющий разряд наблюдается в газах при низких давлениях порядка нескольких десятков миллиметров ртутного столба и меньше. цвет свечения в тлеющем разряде зависит от рода газа.

Физика тлеющего разряда 1 23 4 К - 5 6 А + 1. Астоново Физика тлеющего разряда 1 23 4 К - 5 6 А + 1. Астоново темное пространство; 2. Катодная светящаяся пленка; 3. Катодное темное пространство; 4. Тлеющее свечение; 5. Фарадеево темное пространство; 6. Положительный столб.

Катодная часть разряда образована темным пространством 3, тлеющим свечением 4, переходящим в область фарадеева Катодная часть разряда образована темным пространством 3, тлеющим свечением 4, переходящим в область фарадеева темного пространства 5. В области 3 происходит ускорение электронов, вылетающих из катода под действием + ионов, бомбардирующих катод. В области тлеющего свечения 4 электроны производят ударную ионизацию молекул газа с образованием +ионов и теряют свою энергию. Тлеющее свечение в основном вызывается рекомбинацией ионов и электронов.

Из области тлеющего свечения в фарадеево тёмное пространство 5 электроны и ионы проникают за Из области тлеющего свечения в фарадеево тёмное пространство 5 электроны и ионы проникают за счёт диффузии. В этой области электроны накапливают энергию достаточную для ионизации молекул газа. Ширина катодного темного пространства 3 увеличивается при уменьшении давлению газа.

Положительный столб представляет собой газоразрядную плазму. Иногда положительный столб распадается на отдельные светящиеся участки Положительный столб представляет собой газоразрядную плазму. Иногда положительный столб распадается на отдельные светящиеся участки – страты, разделенные темными промежутками. Положительный столб 6 не играет существенной роли в поддержании тлеющего разряда - при уменьшении расстояния между электродами трубки ширина положительного столба сокращается. Тлеющий разряд используется в газосветных трубках, лампах дневного света, стабилизаторах напряжения, для получения электронных и ионных пучков, катодного распыления

Искровой разряд возникает в газе обычно при давлениях порядка атмосферного. По внешнему виду искровой Искровой разряд возникает в газе обычно при давлениях порядка атмосферного. По внешнему виду искровой разряд представляет собой пучок ярких зигзагообразных разветвляющихся тонких полос, мгновенно пронизывающих разрядный промежуток, быстро гаснущих и постоянно сменяющих друга

В естественных природных условиях искровой разряд наблюдается в виде молнии. На фотографии представлен пример В естественных природных условиях искровой разряд наблюдается в виде молнии. На фотографии представлен пример искрового разряда молния, продолжительностью 0, 2 ÷ 0, 3 с силой тока 104 – 105 А

Другой пример молнии Другой пример молнии

Физика искрового разряда Ударная ионизация в искровом разряде происходит по отдельным каналам, механизм формирования Физика искрового разряда Ударная ионизация в искровом разряде происходит по отдельным каналам, механизм формирования которых объясняется образованием стримеров. Стримеры -это тускло светящиеся разветвленные каналы, содержащие ионизованные атомы газа и свободные электроны. Скорость формирования стримеров определяется скоростью света -световые кванты, испускаемые возбужденными атомами и молекулами сами производят ионизацию газа, и дают начало электронным лавинам.

Эти стримеры прокладывают путь для основного разряда. Основной разряд сопровождается выделением большого количества теплоты, Эти стримеры прокладывают путь для основного разряда. Основной разряд сопровождается выделением большого количества теплоты, ярким свечением газа, треском или громом. Все эти явления вызываются электронными и ионными лавинами, которые возникают в искровых каналах и приводят к огромному увеличению давления, достигающему 107 -108 Па, и повышению температуры до 10 000 °С. Этот вид разряда используется в электроискровом методе резки, сверления и других видах точной обработки металла, когда механическая обработка данного материала практически невозможна. В качестве предохранителя от перенапряжения в электрических линиях передач используется искровой промежуток.

Дуговой разряд Этот разряд представляет собой одну из форм газового разряда, осуществляющуюся при большой Дуговой разряд Этот разряд представляет собой одну из форм газового разряда, осуществляющуюся при большой плотности тока и сравнительно небольшом напряжении между электродами

Физика дугового разряда Первопричиной дугового разряда является интенсивное испускание термоэлектронов раскаленным катодом. Эти электроны Физика дугового разряда Первопричиной дугового разряда является интенсивное испускание термоэлектронов раскаленным катодом. Эти электроны ускоряются электрическим полем и производят ударную ионизацию молекул газа, благодаря чему электрическое сопротивление газового промежутка между электродами становится малым. При атмосферном давлении температура катода достигает 3000 °C. Электроны, бомбардируя анод, создают в нем углубление (кратер) и нагревают его. Температура кратера около 4000 °С , температура газа в канале дугового разряда достигает 5000 -6000 °С, что и приводит к интенсивной термоионизации. В ряде случаев дуговой разряд наблюдается и при сравнительно низкой температуре катода -например, в ртутной дуговой лампе.

Применение дугового разряда Дуговые источники света. Дуговой разряд, открытый В. В. Петровым еще в Применение дугового разряда Дуговые источники света. Дуговой разряд, открытый В. В. Петровым еще в 1802 году, был впервые использован как источник света другим русским ученым П. Н. Яблочковым в 1876 году. В «свече Яблочкова» электродами служили два заостренных угольных стержня. Дуговой разряд как мощный источник света используется до наших дней (прожекторы). Дуговые печи. Высокая температура дугового разряда, питаемого током большой силы, применяется для промышленной выплавки металлов

Резка и сварка металлов. В 1882 году Н. Н. Бенардос впервые использовал дуговой разряд Резка и сварка металлов. В 1882 году Н. Н. Бенардос впервые использовал дуговой разряд для резки и сварки металла. В 1888 году другой российский ученый Н. Г. Славянов усовершенствовал этот метод сварки, заменив угольный электрод металлическим. Ртутные выпрямители. Дуговой разряд используется в ртутном выпрямителе, преобразующем переменный электрический ток в ток постоянного направления. Кварцевая лампа. В этой лампе дуговой разряд происходит в атмосфере ртутных паров, для чего в лампу вводят небольшое количество ртути, а воздух выкачивают. Свет ртутной дуги чрезвычайно богат ультрафиолетовыми лучами.

Коронный разряд возникает в сильном неоднородном электрическом поле при сравнительно высоких давлениях газа. Такое Коронный разряд возникает в сильном неоднородном электрическом поле при сравнительно высоких давлениях газа. Такое поле возникает вблизи поверхности проводника, обладающего большой кривизной (тонкая проволочка, острие).

Физика коронного разряда Появление коронного разряда объясняется ионной лавиной. В газе всегда есть некоторое Физика коронного разряда Появление коронного разряда объясняется ионной лавиной. В газе всегда есть некоторое число ионов и электронов, возникающих от случайных причин. Однако, число их настолько мало, что газ практически не проводит электричества. При достаточно большой напряженности поля кинетическая энергия, накопленная ионом или электроном в промежутке между двумя соударениями, может сделаться достаточной, чтобы ионизировать нейтральную молекулу при соударении. В результате образуется новый электрон и + ион и т. д. Этот процесс называется ударной ионизацией.

Применение коронного разряда Электрическая очистка газов. Очистка газов от пыли или дыма осуществляется путем Применение коронного разряда Электрическая очистка газов. Очистка газов от пыли или дыма осуществляется путем продувки газовой струи через трубку, содержащую два электрода: металлический цилиндр и соосную тонкую проволоку, на которую подается напряжение, достаточное для образования короны. При образовании коронного разряда выходящая струя газа становится чистой и прозрачной, и все твердые и жидкие частицы, содержащиеся в газе, будут осаждаться на электродах.

Счетчики элементарных частиц. Счетчик элементарных частиц Гейгера - Мюллера состоит из металлического цилиндра с Счетчики элементарных частиц. Счетчик элементарных частиц Гейгера - Мюллера состоит из металлического цилиндра с окошком, закрытым фольгой, и тонкой проволоки, натянутой по оси цилиндра. Напряжение в несколько тысячам вольт, подаваемое на электроды, вызывает коронный разряд в случае, когда в счетчик попадает быстро движущаяся заряженная частица. В цепи счетчика появляется слабый кратковременный ток, регистрация которого позволяет обнаруживать вплоть до одной отдельной микрочастицы.

Плазма В газовом разряде возникает большое количество положительных ионов вследствие высокой эффективности ударной ионизации, Плазма В газовом разряде возникает большое количество положительных ионов вследствие высокой эффективности ударной ионизации, причем концентрация ионов и электронов одинакова. Такая система из электронов и положительных ионов, распределенных с одинаковой концентрацией, называется плазмой.

Плазма – наиболее распространенное состояние вещества во Вселенной. Солнце и другие звезды состоят из Плазма – наиболее распространенное состояние вещества во Вселенной. Солнце и другие звезды состоят из полностью ионизованной высокотемпературной плазмы. Основной источник энергии излучения звезд – термоядерные реакции синтеза, протекающие в недрах звезд при огромных температурах.

Электрический ток в вакууме Электрический ток в вакууме

Идеальный вакуум является идеальным изолятором. Электрический ток в вакууме возникает только в результате каких-либо Идеальный вакуум является идеальным изолятором. Электрический ток в вакууме возникает только в результате каких-либо внешних воздействиях. Различают : Термоэлектронную эмиссию – эмиссию электронов под действием тепла; Фотоэлектронную эмиссию – эмиссию электронов под действием света; Полевую эмиссию – эмиссию электронов в сильных электрических полях Вторичную эмиссию – эмиссию электронов, ионов под действием бомбардировки поверхности различного рода частицами

Термоэлектронная эмиссия Термоэлектронная эмиссия

Свободные электроны в металле приходят в упорядоченное движение под действием сколь угодно малого электрического Свободные электроны в металле приходят в упорядоченное движение под действием сколь угодно малого электрического поля, но это движение ограничено – они не могут «запросто выскочить» из металла наружу – для этого им необходимо преодолеть потенциальный барьер на границе металл-вакуум, определяемый работой выхода. При нагреве металла незначительная часть свободных электронов, согласно квантовой статистике, получает энергию, достаточную для того, чтобы покинуть металл. Это явление и носит название термоэлектронной эмиссии.

Вакуумный диод является «классическим» прибором, работа которого основана на явлении термоэлектронной эмиссии. А Он Вакуумный диод является «классическим» прибором, работа которого основана на явлении термоэлектронной эмиссии. А Он состоит из накаливаемого катода К и К коаксиального ему анода А А А К Uн Катод К нагревается током от источника напряжения Uн. Электроны, вылетающие из катода, под действием электрического V поля движутся в сторону анода А. Регулируемое напряжение между К и А измеряется вольтметром, сила тока в анодной цепи – амперметром

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) вакуумного диода Типичная ВАХ вакуумного диода представлена на рисунке I II Вольт-амперная характеристика (ВАХ) вакуумного диода Типичная ВАХ вакуумного диода представлена на рисунке I II Эта характеристика имеет два основных участка – I – область пространственного заряда и II – область тока насыщения. I U I- При небольшом напряжении между катодом и анодом не все электроны, вылетающие из катода успевают достичь анода. Вокруг катода образуется облако электронов, препятствующих дальнейшему вылету электронов с поверхности катода. По мере увеличения напряжения U скорость удаления электронов из прикатодного пространства возрастает, размеры электронного облака уменьшаются, анодный ток растет

II- При дальнейшем увеличении напряжения между катодом и анодом пространственное облако «рассасывается» и все II- При дальнейшем увеличении напряжения между катодом и анодом пространственное облако «рассасывается» и все электроны, вылетающие из катода, долетают до анода. Это режим тока насыщения. Первый участок ВАХ описывается законом Богуславского – Ленгмюра: I~U 3/2 , а второй – формулой Ричардсона –Дешмана: j = AT 2 е - Авых/k. T где А=1, 2 106 А/м 2 К 2 – величина, одинаковая для всех металлов, Т- абсолютная температура Авых- работа выхода, k –постоянная Больцмана

Фотоэлектронная эмиссия Фотоэлектронная эмиссия

Явление фотоэлектронной эмиссии – испускание электронов под действием света, было открыто Г. Герцем в Явление фотоэлектронной эмиссии – испускание электронов под действием света, было открыто Г. Герцем в 1887 году. В дальнейшем эксперименты в этом направлении были продолжены Столетовым, Гальваксом, Ленардом и другими. Электроны в металле при поглощении света получают дополнительную энергию, необходимую для преодолению работы выхода, и покидают металл. внешний фотоэффект, испускание электронов твёрдыми телами и жидкостями под действием электромагнитного излучения (фотонов) в вакуум или др. среды.

свет К А А V Тб Свет через окошко попадает в вакуумную стеклянную колбу, свет К А А V Тб Свет через окошко попадает в вакуумную стеклянную колбу, содержащую катод К и анод А. Электроны, выбиваемые светом из катода движутся к аноду. Сила фототока измеряется амперметром А, регулируемое по величине и знаку (с помощью тумблера Тб) напряжение между К и А измеряется вольтметром Схема вакуумного прибора для наблюдения фотоэффекта

Вольт-амперные характеристики фототока iф I св 2 I св 1 Uз U Фототок начинается Вольт-амперные характеристики фототока iф I св 2 I св 1 Uз U Фототок начинается с некоторого отрицательного напряжения между катодом и анодом Uз. При фиксированной длине волны падающего света λ увеличение интенсивности светового потока I св не приводит к изменению запирающего напряжения, но увеличивает силу фототока в режиме насыщения

iф λ 2 λ 1 λ 2<λ 1 U Uз 2 Uз 1 Изменение iф λ 2 λ 1 λ 2<λ 1 U Uз 2 Uз 1 Изменение длины волны падающего света приводит к изменению величины запирающего напряжения и, как правило, изменению величины фототока в режиме насыщения при фиксированной величине светового потока

Законы фототока 1. Фототок в режиме насыщения пропорционален интенсивности светового потока (закон Столетова). 2. Законы фототока 1. Фототок в режиме насыщения пропорционален интенсивности светового потока (закон Столетова). 2. Максимальная скорость вылетающих электронов, определяемая запирающим напряжением Uз , не зависит от интенсивности светового потока, а определяется только длиной волны λ падающего света. 3. Существует красная граница фотоэффекта λгр. Для света с λ> λгр фототок отсутствует при любой интенсивности светового потока.

Физика фотоэффекта Оказалось, что в рамках классической физики невозможно объяснить 2 и 3 законы Физика фотоэффекта Оказалось, что в рамках классической физики невозможно объяснить 2 и 3 законы фотоэффекта. Действительно, энергию световой волны, которая необходима для преодоления работы выхода, можно изменять как за счет амплитуды световой волны (интенсивность), так и за счет изменения длины волны. Однако электроны в металле реагируют только на изменение частоты. Выход из создавшейся ситуации был найден Энштейном в 1905 году. Он предположил, что свет не только испускается (гипотеза Планка) , но и поглощается отдельными порциями. Энергия одной порции света (квант света) равна hν. Электрон в металле одновременно способен поглотить только один квант света.

Уравнение Эйнштейна, описывающее законы фотоэффекта Энергия кванта света hν тратится на совершение работы выхода. Уравнение Эйнштейна, описывающее законы фотоэффекта Энергия кванта света hν тратится на совершение работы выхода. Остаток энергии – это кинетическая энергия фотоэлектрона, определяющая величину задерживающей разности потенциалов:

Полевая эмиссия Полевая эмиссия

Полевая эмиссия (ПЭ) или автоэлектронная эмиссия - это испускание электронов проводящими твердыми и жидкими Полевая эмиссия (ПЭ) или автоэлектронная эмиссия - это испускание электронов проводящими твердыми и жидкими телами под действием внешнего электрического поля высокой напряженности. ПЭ была открыта Р. Вудом в 1897 г. при исследовании вакуумного разряда. ПЭ объясняется туннельным эффектом и происходит без затрат энергии на возбуждение электронов.

Сравнение механизмов термо- и полевой эмиссии Термо эмиссия (над барьером) Сравнение механизмов термо- и полевой эмиссии Термо эмиссия (над барьером)

Полевая эмиссия (сквозь барьер) Полевая эмиссия (сквозь барьер)

Когда величина напряженности электрического поля у поверхности катода достигает ~ 107 В/см, то потенциальный Когда величина напряженности электрического поля у поверхности катода достигает ~ 107 В/см, то потенциальный барьер на границе катод – вакуум становится тонким, так что электроны «просачиваются» сквозь этот барьер не меняя своей энергии. Это чисто квантовый эффект, который не может быть объяснен в рамках классической физики

На практике эта ситуация может быть реализована, если катод имеет форму острия, а разность На практике эта ситуация может быть реализована, если катод имеет форму острия, а разность потенциалов между катодом и анодом составляет киловольты (при этом расстояние между катодом и анодом находится в сантиметровом масштабе) А К - Источник высокого + напряжения

Сравнительные характеристики полевых катодов 1. По сравнению с термо катодами полевые катоды имеют миниатюрные Сравнительные характеристики полевых катодов 1. По сравнению с термо катодами полевые катоды имеют миниатюрные и сверхминиатюрные размеры; 2. Полевые катоды не требуют дополнительной энергии для их разогрева; 3. Плотность тока полевых катодов на порядки выше по сравнению с термо катодами. Особенно это касается импульсного режима работы катодов (взрывная эмиссия) 4. Полевые катоды работают только в хороших вакуумных условиях и обладают малой долговечностью, которая отчасти устраняется путем использования многоострийных катодов

Применение полевой эмиссии 1. Полевые эмиссионные дисплеи – это качественно новый шаг в воспроизведении Применение полевой эмиссии 1. Полевые эмиссионные дисплеи – это качественно новый шаг в воспроизведении информации по сравнению с электронно-лучевыми трубками. Они нашли применение начиная от крупноформатных информационных табло до сверхминиатюрных дисплеев в бытовой и военной технике, технической и специальной аппаратуре; 2. Использование явления взрывной эмиссии для получения электронных пучков высокой плотности по программе управляемого термоядерного синтеза; 3. Использование явления взрывной эмиссии при создании переносных рентгеновских аппаратов; 4. Сканирующий туннельный микроскоп;

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) был создан в 1982 г сотрудниками исследовательского отдела фирмы IBM Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) был создан в 1982 г сотрудниками исследовательского отдела фирмы IBM Г. Биннигом и Х. Рёрером. СТМ явился первым техническим устройством, с помощью которого удалось увидеть отдельные атомы и молекулы.

Принцип работы СТМ. К поверхности проводящего образца на расстояние, составляющее доли нанометра (10 -10 Принцип работы СТМ. К поверхности проводящего образца на расстояние, составляющее доли нанометра (10 -10 м), подводится тонкая металлическая игла. При столь малом расстоянии ток, обусловленный тунелированием электронов из острия, возникает уже при разности потенциалов ~ 10 -1 В. Величина этого тока экспоненциально зависит от расстояния между иглой и образцом, что и обеспечивает чрезвычайно высокую разрешающую способность СТМ. Перемещение иглы вдоль поверхности образца осуществляется при помощи пьезодвигателя ( пьезоэлектрик изменяет свои линейные размеры в нанометровом масштабе приложении к нему электрического поля). При этом сохраняется постоянство тока, т. е. величины зазора между иглой и образцом за счет автоматического смещения иглы тем же пьезодвигателем в перпендикулярном направлении.

Поверхность кристалла кремния. Видны изображения отдельных атомов кристаллической решетки Поверхность кристалла кремния. Видны изображения отдельных атомов кристаллической решетки

P. S. Возможности туннельного микроскопа не ограничиваются разглядыванием поверхностей. С его помощью, например, можно P. S. Возможности туннельного микроскопа не ограничиваются разглядыванием поверхностей. С его помощью, например, можно заставить атомы перемещаться вдоль поверхности и собирать из них искусственные структуры нанометровых размеров или удалять отдельные атомы

Вторичная электронная эмиссия Вторичная электронная эмиссия

Вторичная электронная эмиссия (ВЭЭ)открыта в 1902 году немецкими физиками Аустином и Г. Штарке. ВЭЭ- Вторичная электронная эмиссия (ВЭЭ)открыта в 1902 году немецкими физиками Аустином и Г. Штарке. ВЭЭ- это испускание электронов поверхностью металлов, полупроводников или диэлектриков при бомбардировке их пучком электронов. Вторичный электронный поток состоит из электронов, отраженных поверхностью и «истинно» вторичных электронов - электронов, выбитых c поверхности первичными электронами. Отношение числа вторичных электронов n 2 к числу первичных n 1, вызвавших эмиссию, называется коэффициентом вторичной электронной эмиссии: σ = n 2 / n 1

Вакуумный прибор для исследования ВЭЭ 1 - коллектор вторичных электронов; 2 - электронная пушка Вакуумный прибор для исследования ВЭЭ 1 - коллектор вторичных электронов; 2 - электронная пушка – источник первичных электронов; 3 - задерживающая сетка, позволяющая анализировать вторичные электроны по энергии; 4 - образец – мишень; I 0 - ток первичных электронов; I 1 - ток вторичных электронов;

Типичные зависимости коэффициента вторичной электронной эмиссии от энергии первичных электронов σ Au 1 0 Типичные зависимости коэффициента вторичной электронной эмиссии от энергии первичных электронов σ Au 1 0 Ер, кэ. В 1 2 3 металлы 20 10 0 σ Mg. O Ер, кэ. В 1 2 3 диэлектрики В металлах концентрация электронов проводимости велика и вторичные электроны, часто сталкиваясь с ними, теряют свою энергию и не могут выйти из металла. В диэлектриках такие столкновения происходят гораздо реже и вероятность выхода вторичных электронов возрастает в несколько раз.

Вторичные электронные умножители Если σ>1, то число вторичных электронов превышает число первичных. Этот факт Вторичные электронные умножители Если σ>1, то число вторичных электронов превышает число первичных. Этот факт используется для усиления слабых электронных потоков во вторичных электронных умножителях (ВЭУ). На систему электродов (динодов) подается все возрастающее напряжение, так что первичный электрон выбивает из первого динода число электронов, равное σ, которые выбивает из следующего динода σ2 электронов и т. д. Общий коэффициент усиления ВЭУ, равный σN, где N- число динодов, достигает 107.

В ряде случаев первичные электроны возникают вследствие фотоэффекта. Тогда это фотоэлектронные умножители (ФЭУ), регистрирующие В ряде случаев первичные электроны возникают вследствие фотоэффекта. Тогда это фотоэлектронные умножители (ФЭУ), регистрирующие слабые световые потоки вплоть до отдельных фотонов

Энергетическое распределение вторичных электронов Для анализа по энергии электронов, рассеянных мишенью, используется сетка (3), Энергетическое распределение вторичных электронов Для анализа по энергии электронов, рассеянных мишенью, используется сетка (3), регулировка потенциала которой позволяет пропускать на коллектор (1) электроны энергия которых в электрон-вольтах превышает потенциал этой сетки. Это и является основой анализа рассеянных электронов по энергии

Схематическая зависимость энергетического распределения вторичных электронов а- пик истинно вторичных электронов b- неупруго рассеянные Схематическая зависимость энергетического распределения вторичных электронов а- пик истинно вторичных электронов b- неупруго рассеянные электроны с – пик упруго рассеянных электронов 1, 2 – пики электронов, испытавших тот или иной вид потерь

Пики потерь (2), расположенные вблизи пика упруго отраженных электронов носят название «характеристических» и отражают Пики потерь (2), расположенные вблизи пика упруго отраженных электронов носят название «характеристических» и отражают электронную структуру приповерхностной области образца. Пики потерь (1), расположенные в области неупруго отраженных электронов носят название «оже- электронных» и отражают атомную структуру приповерхностной области образца. Дополнительное дифференцирование (d. N/d. E) позволяет более четко определить химический состав исследуемого образца

Пики потерь (2), расположенные вблизи пика упруго отраженных электронов носят название «характеристических» и отражают Пики потерь (2), расположенные вблизи пика упруго отраженных электронов носят название «характеристических» и отражают электронную структуру приповерхностной области образца. Пики потерь (1), расположенные в области неупруго отраженных электронов носят название «оже- электронных» и отражают атомную структуру приповерхностной области образца. Дополнительное дифференцирование (d. N/d. E) позволяет более четко определить химический состав исследуемого образца Оже-спектр пленки Fe 2 O 3