При нагревании металла до высокой температуры кинетическая энергия свободных электронов в нем увеличивается, и при определенной температуре они покидают металл — происходит термоэлектронная эмиссия. Принцип работы таких приборов, как вакуумный диод, электронно-лучевая трубка, трубка Х-лучей (рентгеновская трубка), основан на явлении термоэлектронной эмиссии.
Вольтамперная характеристика (ВАХ) вакуумного диода. Одной из основных характеристик электронных приборов является его ВАХ. Экспериментально установлено, что ВАХ вакуумного диода носит нелинейный характер (d). Причина этого заключается в следующем: при увеличении разности потенциалов (напряжения) между электродами достигается такое его значение, при котором все электроны, покинувшие катод, доходят до анода. Несмотря на дальнейшее увеличение напряжения сила тока в анодной цепи диода остается неизменной - возникает так называемый ток насыщения. Ста тока насыщения зависит от числа электронов, покинувших катод за единицу времени:
IН = eN
t. (2)
Значение силы тока насыщения зависит от температуры катода: с ростом температуры катода растет и число электронов, покинувших металл в единицу времени, и сила тока насыщения увеличивается (см: d).
Электронный пучок и его свойства. Электроны, вылетевшие с поверхности спирали вакуумной лампы в результате её нагрева, ускоряются разностью потенциалов (напряжением) между катодом и анодом и направляются к аноду. Согласно закону сохранения энергии работа электрического поля над электроном равна увеличению его кинетической энергии:
mmυ2
2 = e(φa-φk) = eU.
(3)
Здесь φα и φα - потенциалы анода и катода соответственно.
Если в аноде вакуумной лампы сделать отверстие, то часть электронов, ускоренных электрическим полем, пройдет через это отверстие и образует электронный пучок. Свойства такого пучка установлены экспериментально: 1) попадая на поверхность тел, электронный пучок нагревает её; 2) падая на поверхность металлов, может оторвать электроны с его поверхности; 3) торможение быстрых электронных пучков веществом приводит к возникновению рентгеновских лучей; 4) при бомбардировке электронным пучком некоторых веществ, например, стекла, сульфидов цинка и кадмия и др., наблюдается свечение этих веществ; 5) электронные пучки отклоняются электрическим полем; 6) электронные пучки отклоняются магнитным полем.
Рентгеновская трубка. В стеклянной трубке создается вакуум, и нагревание помещенного внутри трубки катода приводит к испарению электронов с его поверхности (термоэлектронная эмиссия). Вылетевшие с катода электроны разгоняются электрическим полем, созданным между катодом и анодом, разность потенциалов между которыми равна десяткам киловольт. При столкновении с анодом электроны испытывают резкое торможение, теряя большую часть приобретенной энергии, и возникает рентгеновское излучение (X-rays radiation) (e).