МЕНЮ

Физика процессов в электровакуумных приборах (фотонная концепция)

В данной статье на основе фотонной концепции раскрывается физическая сущность процессов в электровакуумных приборах, использующих термоэмиссию. На основе анализа процессов в вакуумном диоде показано, что термоэмиссия является частным случаем фотонной эмиссии — основы физики процессов электровакуумных приборов.

Заблуждаются те, кто считает, что основные свойства термоэлектронной
 эмиссии описаны в теории и проверены экспериментом.
 Уэйн Ноттингем

важнейшую роль в связи с тем, что замыкая цепь катод – анод, анод диода получает потенциал равный потенциалу катода, в целом определяющий дальнейший процесс функционирования диода.

При подключении анода диода к положительному полюсу внешнего источника тока, потенциал анода становится равным напряжению внешнего источника U. Если он больше потенциала катода, то пластина анода оказывается подключенной нижней поверхностью к катоду с нулевым потенциалом, а верхней поверхностью к внешнему источнику тока с высоким потенциалом. Образовавшееся электрическое поле в пластине анода, является результатом высокой концентрации фотонов в области верхней поверхности пластины анода. Эти фотоны вызывают генерацию вторичных фотонов, движение которых создает электрический ток в пластине анода. Эти фотоны заполняют пластину анода и затем излучаются  во внутреннее пространство колбы диода. Достигнув поверхности катода эти фотоны образуют основной (анодный) ток Ia, текущий от анода к катоду и далее во внешнюю электрическую цепь катода. Плотность потока фотонов от анода к катоду значительно превышает плотность тока от катода к аноду и их разность является основной характеристикой вакуумного диода.

Из экспериментов очевидно, что величина диодного тока Iд зависит от внешнего напряжения прикладываемого к аноду:

Iд = Ia — Iо = f (Ua).                                             (1)

Анализ зависимости (1) реальных вакуумных диодов позволяет выделить три области напряжений Ua, в рамках которых описываются физические процессы вакуумного диода.

Режим насыщения (область высоких напряжений). Ток насыщения Is идеального диода не зависит от напряжения на аноде Is = Iд = Ia,  Ia >> Iо.  Какое-либо увеличение анодного напряжения не вызывает увеличения анодного тока. Это обусловлено  геометрическими параметрами тела анода. Величина тока определяется  возможностью генерации и излучения вторичных фотонов поверхностью анода. В виду конечности геометрических параметров поверхности анода, а значит и конечности количества поверхностных атомов вещества (генерацию фотонов в первую очередь обеспечивают протон-электронные пары, у которых электрон является самым удаленным в атоме вещества) наступает насыщение в генерации вторичных фотонов. В реальных приборах в режиме насыщения ток анода медленно растёт с ростом анодного напряжения. Этот процесс обусловлен тем, что материалом анода являются вещества, содержащие химические элементы с числом электронов во внешнем слое больше одного. При увеличении анодного напряжения в процесс генерации вторичных фотонов начинают подключаться протон-электронные пары с электронами, двигающихся по ниже лежащим орбитам. Однако, этот процесс требует затрат больших энергий, что и обуславливает незначительный рост анодного тока.

Второй режим, область средних напряжений. Iд ≈ Ia,  Ia > Iо.   Для этого режима справедлив закон Чайльда – Ленгмюра [9]: ток диода

Iд=GUa3/2,                                                       (2)

где G – конструктивный коэффициент.

Конкретный вид зависимости (2) зависит от формы электродов и геометрии межэлектродного пространства, но при всех простых геометриях ток оказывается пропорциональным Ua3/2.

Для частного случая бесконечно протяжённых плоских электродов такую зависимость впервые (1911) получил К. Д. Чайлд (С. D. Child):

i =1/9π (2e/m)1/2 Ua3/2/d2.                                             (3)

Здесь d — расстояние между электродами, е и m — заряд и масса фотона.

В современной интерпретации зависимость (3) получила название закона “трех вторых”.

Закон “трех вторых” – отличается от реальных вольт-амперных характеристик диода отсутствием областей насыщения анодного тока.

Физически процесс роста анодного тока при увеличении анодного напряжения обусловлен  тем, что в процесс генерации вторичных фотонов подключаются новые протон-электронные пары атомов вещества поверхностного слоя пластины анода.

Допущения, на которых основана модель Чайлда в реальных диодах выполняется только в узком диапазоне средних анодных напряжений. Различия между реальными приборами и моделью Чайлда наиболее существенны в области отрицательных и малых положительных напряжений и в области перехода в режим насыщения.

Область малых напряжений. Ia ≈ Iо.   Закон “трех вторых” не применим в области отрицательных и малых положительных (единицы В) анодных напряжений. Из закона следует, что при нулевом напряжении ток анода должен быть равен нулю, а при отрицательном напряжении формула (3) вообще не определена. В реальных диодах при нулевом анодном напряжении уже течёт нулевой ток фотонов от катода к аноду — именно это явление, открытое в 1882 г. Элстером и Гайтелем и в 1883 г. Эдисоном, и научно интерпретированное в 1889 г. ФлемингомУильям Прис назвал «эффектом Эдисона» [1]. Полная отсечка тока наступает только тогда, когда анодное напряжение опускается на несколько В ниже нуля.

Сдвиг характеристики диода влево может быть объяснён тем, что нулевой ток катода, как указано выше, вызывает вторичную генерацию фотонов в области поверхности пластины диода, обращенной к катоду. Концентрация этих фотонов характеризуется некоторым потенциалом, для компенсации которого необходимо приложить отрицательное анодное напряжение.

В пользу фотонной интерпретации нулевого тока указывает уравнение Ричардсона и Дешмана [10] для максимальной плотности тока термоэмиссии, которую может обеспечить при температуре Т термокатод с работой выхода φ:

j = Ao (1 – R) T2 exp (-φ/kT),                            (4)

где Ao = 4π mek2/h3 = 120,4 [A2/см2К2] – термоэмиссионная постоянная Зоммерфельда; T – температура катода по абсолютной шкале Кельвина (К); R – коэффициент отражения фотонов на границе тело – вакуум (обычно не превосходит 0,07); φ – работа выхода фотонов из катода; k – постоянная Больцмана, равная 1,38·10-23 Дж/К.

Постоянная Зоммердфельда Ао была рассчитана на основе модели свободных электронов, вследствие чего ее значение некорректно и требует перерасчета на основе модели свободного фотона:

Ao ≈ 4π mγeγk2/hγ3 ≈ 0,528·10-5 [A2/см2К2],

где mγ ≈ 10-40 кг — масса, eγ0,786137·10-19 Кл– электрический заряд, hγ= h/2 – постоянная Планка фотона. [11, 12]

Из физической сущности постоянной Планка [12] следует, что это параметр только элементарной частицы фотона и его фривольное использование в каких либо моделях с другими элементарными частицами недопустимо. Данное обстоятельство убедительно доказывает мифичность модели свободных электронов и некорректность рассчитанных параметров на ее основе.

Теоретическая интерпретация физических процессов в вакуумном диоде позволяет дать новое определение термоэмиссии:

Термоэмиссия это явление излучения фотонов  поверхностью нагретых тел.

Данное определение термоэмиссии хорошо согласуется с понятием тепловое излучение [13], хорошо изученном в теоретической физике и приведшее к созданию основ квантовой механики: (температурное излучение) — электромагнитное излучение, испускаемое веществом и возникающее за счёт его внутренней энергии. Тепловое излучение имеет сплошной спектр, положение максимума которого зависит от температуры вещества. С её повышением возрастает общая энергия испускаемого теплового излучения, а максимум перемещается в область малых длин волн. Тепловое излучение испускает, например, поверхность накалённого металла, земная атмосфера и т. д.

Отличие этих явлений друг от друга заключается в необходимости использования внешнего источника тепловой энергии в случае термоэмиссии, что не является препятствием для использования теоретического и математического материала теплового излучения в теории термоэмиссии.

Выводы. В основе традиционной физики для анализа физических процессов в ЭВП все еще используется модель свободных электронов, морально и физически давно устаревшая и не соответствующая потребностям современной науки и техники.

На основе представлений фотонной концепции явлений эмиссии и электрического тока устраняются недостатки модели свободного электрона, адекватно описываются физические процессы в ЭВП, в частности, устраняется противоречие в направлении движения электрического тока в ЭВП и внешней электрической цепи. На данный момент за направление движения электрического тока в ЭВП условно принималось движение электронов от катода к аноду, что не поддавалось логическому обоснованию, в связи с направленностью против токов  основной электрической цепи.

Фотонная концепция позволяет дать новое определение термоэмиссии, которое согласуется с хорошо изученным явлением теплового излучения.

 

Литература.

  1. https://ru.wikipedia.org/wiki/ Закон степени трёх вторых.
  2. http://foez.narod.ru/n7.htm ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ВАКУУМНЫХ И ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ПРИБОРОВ.
  3. Добрецов Л.Н., Гомоюнова М.В. Эмиссионная электроника. Москва: Наука, 1966. — 564 с.
  4. https://ru.wikipedia.org/wiki/ Модель свободных электронов.
  5. https://studbooks.net/2001166/matematika_himiya_fizika/teorii_provodimosti_metallov_drude_i_zommerfelda Теории проводимости металлов Друде и Зоммерфельда.
  6. http://nauka2000.com/ Лямин В. С.,  Лямин Д. В. КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ – МИФ ИЛИ РЕАЛЬНОСТЬ.
  7. http://nauka2000.com/ Лямин В. С.,  Лямин Д. В. Что такое электрический ток?
  8. http://elektronchic.ru/elektronika/vakuumnyj-diod.html Вакуумный диод-вольт амперная характеристика, устройство диода.
  9. http://femto.com.ua/articles/part_1/1941.html ЛЕНГМЮРА ФОРМУЛА.
  10. https://mipt.ru/upload/medialibrary/0df/chapter3.pdf ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ.
  11. http://nauka2000.com/ Лямин В. С.,  Лямин Д. В. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД ПРОТОНА, ЭЛЕКТРОНА И ФОТОНА.
  12. http://nauka2000.com/ Лямин В. С.,  Лямин Д. В. ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА.
  13. http://www.femto.com.ua/articles/part_2/4020.html ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ .

Лямин В.С. , Лямин Д. В.  г. Львов

1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звёзд6 звёзд7 звёзд8 звёзд9 звёзд10 звёзд (Еще не оценили)
Загрузка...


Вы можете оставить комментарий к записи