- Hieơn tượng Seebeck còn được ứng dúng đeơ làm pin nhieơt đieơn Khi maĩc nôi tiêp nhieău caịp nhieơt đieơn ta có theơ táo ra moơt boơ pin
§5.6 CÁC HIEƠN TƯỢNG PHÁT XÁ ELECTROĐN
5.6.1. Phát xá nhieơt electrođn.
Phát xá nhieơt electrođn là hieơn tượng phát xá electrođn ra khỏi beă maịt kim lối nhờ đôt nóng.
Đeơ bứt electrođn ra khỏi kim lối, naíng lượng cụa electrođn phại lớn hơn cođng thoát beă maịt. Theo thuyêt electrođn coơ đieơn, naíng lượng trung bình cụa chuyeơn đoơng nhieơt là 3 kT. Đieău kieơn đeơ phát xá electrođn nhieơt sẽ là:
2 3 2 kTk ≥eϕ Hay: 2 3 k T e k ϕ ≥ (5.20)
Giá trị cụa cođng thoát eϕ đôi với các kim lối naỉm trong khoạng từ 1 đên 4,5 eV. Nêu ϕ = 2V thì Tk≈ 15000K.
Trong thực tê, ở nhieơt đoơ phòng cũng đã có moơt sô electrođn phát xá ra khỏi beă maịt kim lối, và baĩt đaău ở nhieơt đoơ 1000 ÷3000K đã có moơt lượng đáng keơ các electrođn thoát ra khỏi beă maịt kim lối. Sở dĩ như vaơy là vì trong kim lối luođn toăn tái moơt sô electrođn có naíng lượng lớn hơn naíng lượng chuyeơn đoơng nhieơt trung bình và chúng có theơ deê dàng thoát ra khỏi kim lối ở nhieơt đoơ khođng cao laĩm.
Hieơn tượng phát xá nhieơt electrođn đóng moơt vai trò đaịc bieơt quan trong trong kỹ thuaơt đieơn và đieơn tử (chê táo đèn đieơn tử, đèn ông tia ađm cực,…)
5.6.2. Phát xá quang electrođn.
Phát xá quang electrođn là hieơn tượng quang đieơn ngoài. Khi chiêu ánh sáng vào beă maịt kim lối, nêu thỏa mãn đieău kieơn quang đieơn các electrođn sẽ
bứt ra khỏi beă maịt kim lối.
Đieău kieơn phát xá là: hf e≥ ϕ
Hay: f e
h
ϕ
≥ (5.21)
Trong đó: f là taăn sô ánh sáng kích thích, h là haỉng sô Flanck.
Phát xá electrođn thứ câp là hieơn tượng phát xá electrođn từ beă maịt kim lối khi bị các electrođn baĩn phá. Đaịc trưng baỉng heơ sô phát xá thứ câp:
N2
1 (5.22)
δ =
N
N1 và N2 là sô hát electrođn sơ câp (hát tới) và electrođn thứ câp.
δ phú thuoơc vào beă maịt kim lối, vào đoơng naíng cụa electrođn sơ câp. Với kim lốiδmax <2, với bán dăn δ >10 hoaịc hơn.
Hieơn tượng phát xá thứ câp được dùng trong các ông nhađn quang đieơn đeơ khuêch đái tín hieơu ánh sáng yêu trong vieơc đo bức xá với đoơ nháy cao.
5.6.4. Tự phát xá electrođn hay phát xá catôt lánh.
Là hieơn tượng phát xá electrođn khỏi beă maịt kim lối khi có moơt đieơn trường rât mánh tác dúng. Nêu ở beă maịt kim lối có moơt đieơn trường taíng tôc thì nó sẽ “hút” các electrođn trong nguyeđn tử ở maịt ngoài kim lối làm chúng vượt qua hàng rào thê naíng và bứt ra khỏi kim lối.
Hieơn tượng phát xá electrođn sinh ra do hàng rào thê tređn maịt kim lối bị biên đoơi khi chịu tác dúng cụa moơt đieơn trường rât mánh ở beă maịt. Sự biên đoơi đó dăn tới làm giạm đoơ cao cụa hàng rào thê (hô thê), tức làm giạm cođng thoát eϕ, maịt khác làm thu hép beă roơng cụa hô thê, làm taíng xác suât chuyeơn electrođn qua hàng rào thê. Sự biên đoơi cođng thoát dưới tác dúng cụa đieơn trường ngoài gĩi là hieơu ứng Shottky. Theo cơ hĩc lượng tử đó là hieơu ứng đường haăm (tunen) có moơt xac suât đeơ các electrođn có theơ chui qua hàng rào thê, maịc dù naíng lượng cụa nó nhỏ hơn beă cao hô thê.
Maơt đoơ dòng phát xá J phú thuoơc vào cường đoơ đieơn trường ngoài theo bieơu thức: / o E E j = βe− (5.23) Trong đó: 8 2 3 3 o E mA he π = (5.24)
A – cođng thoát beă maịt: A = eϕ
β - heơ sô tỷ leơ phú thuoơc vào bạn chât beă maịt phát xá.
§5.6. CÁC DÁNG PHÓNG ĐIEƠN TRONG CHÂT KHÍ.
Ở đieău kieơn bình thường chât khí là chât cách đieơn tôt, trong chúng hâu như khođng có các phaăn tử mang đieơn (đieơn tích, ion). Trong những đieău kieơn xác định chât khí bị iođn hóa và trở thành chât dăn đieơn.
5.6.1. Tính dăn đieơn khođng tự lực.
Sự iođn hóa xạy ra do tác nhađn beđn ngoài (đôt nóng, chiêu bức xá tử ngối, tia X, v.v… ) gĩi là các tác nhađn iođn hóa.
5.6.2. Tính dăn đieơn duy trì.
Hieơn tượng iođn hóa xạy ra do chính bạn thađn các phaăn tử mang đieơn được đieơn trường gia tôc va chám với các phaăn tử trung hòa gađy iođn hóa.
5.6.3. Sự iođn hóa và sự tái hợp các iođn.
Trong sự phóng đieơn cụa chât khí luođn có 2 quá trình xạy ra: – Quá trình iođn hóa phađn tử trung hòa.
– Quá trình tái hợp các iođn và các electrođn thành phađn tử trung hòa. Gĩi là sô iođn tái hợp thành phađn tử trung hòa thì Δno'
' 2
o o
n γn
Δ = .
Với no là maơt đoơ iođn dương (hay ađm). Khi khođng có dòng đieơn, sô iođn sinh ra Δno sẽ baỉng sô iođn tái hợp. Tức là ta có:
2
o o
n γn
Δ =
Do đó, sô iođn cùng dâu trong moơt đơn vị theơ tích sẽ là:
o o n n γ Δ = (5.25)
trong đó γ gĩi là heơ sô tái hợp.
5.6.4. Đoơ linh đoơng cụa các iođn. Là vaơn tôc cụa các iođn khi đieơn trường tác
dúng có cường đoơ baỉng đơn vị. - Với iođn dương: u+ =u Eo+
- Với iođn ađm: u− =u E−o
Trong đó: u+o, và u−o gĩi là đoơ linh đoơng cụa iođn khí dương và ađm
5.6.5. Định luaơt Ohm cho chât khí.
Bieơu thức định luaơt Ohm cho sự dăn đieơn khođng tự lực cụa chât khí:
( o o)
o
J = σE = en u+ +u− E
)
(5.26)
Trong đó: là đieơn dăn suât cụa chât khí. Trong bạng
(5.3) cho giá trị đoơ linh đoơng cụa iođn moơt sô chât khí.
( o o
o
en u u
σ = + + −
Bạng 5.3
ở p=700mmHg và T = 18oC o u+ u−o Hydro (H2) OĐxy (O2) Nitơ (N2)
Cacbon OĐxyt (CO2) Clo (Cl) 5,91 1,29 1,27 1,10 0,65 8,26 1,79 1,84 1,14 0,51
Bieơu thức (5.26) chư đúng khi maơt đoơ dòng đieơn nhỏ. Nêu maơt đoơ dòng đieơn lớn tới mức sự tái hợp khođng kịp xạy ra thì dòng đieơn sẽ khođng phú thuoơc vào hieơu đieơn thê, dòng được gĩi là bão hòa. Đoă thị J = J(E) bieơu dieên đaịc tuyên vol-ampe cụa sự phóng đieơn khođng tự
lực chư ra tređn hình 5.11.
- Đốn oa: tuađn theo định luaơt Ohm
- Đốn ab: khođng tuađn theo định luaơt Ohm. - Đốn bc: dòng bão hòa
- Đốn cd: dòng taíng đoơt ngoơt, ứng với sự iođn hóa do va chám rât mánh cụa các electrođn và iođn do đieơn trường rât lớn gia tôc. Sau đó là sự đánh thụng chât khí khi đieơn trường ứng với thê hieơu noơ Ud. Lúc đó chât khí tiêp túc
dăn đieơn khi đã ngaĩt tác nhađn iođn hóa. Hình 5.11. Đaịc tuyên Vođn-Ampe
5.6.6. Định luaơt Paschen
Sự dăn đieơn tự lực chư baĩt đaău xạy ra ở moơt đieơn thê nào đó gĩi là đieơn thê cháy (noơ) Ud. Dựa vào thực nghieơm Paschen đã đưa ra định luaơt sau:
Đôi với moêi chât khí nêu đoơ dài cụa khoạng phóng đieơn d và áp suât chât khí p biên đoơi sao cho tích sô d.p khođng thay đoơi thì đoơ lớn cụa hieơu đieơn thê cháy (noơ) giữ nguyeđn khođng đoơi.
Ud = F (p.d) (5.27)
Định luaơt này cho biêt, nêu áp suât giạm đi bao nhieđu laăn và khoạng cách giữa hai cực taíng leđn bây nhieđu laăn thì hieơu đieơn thê noơ Ud đaịt vào hai cực khođng thay đoơi giá trị.
Định luaơt này có theơ được giại thích đơn giạn như sau: Ở áp suât thâp, quãng đường tự do trung bình cụa các electrođn lớn, do đó nó văn có theơ dự trữ đụ naíng lượng đeơ iođn hóa chât khí ngay cạ khi đieơn trường taíng tôc bé.
5.6.7. Sự phóng đieơn thành mieăn.
A
Sự phóng thành mieăn trong chât khí được quan sát xạy ra ở áp suât thâp (~10-3at) khi khođng có nguoăn ion hóa beđn ngoài. Khi hieơu đieơn thê đaịt vào hai cực A và K đát giá trị “đieơn thê cháy” (khoạng vài traím vođn) trong ông quan sát thây chât khí phát sáng. Hình ạnh phóng đieơn trong ông được mođ tạ tređn hình 5.12. goăm các mieăn sau:
K 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 A K 1 2 3 4 5 1- Lớp sáng ađm cực 2- Mieăn tôi Crookes 3- Mieăn sáng ađm cực 4- Mieăn tôi Faraday 5- Coơt sáng dương cực
Trong nhieău trường hợp coơt sáng dương cực có những lớp vaỉn.
Nêu đưa A lái gaăn K thì tât cạ các mieăn gaăn ađm cực khođng có gì thay đoơi mà chư có coơt sáng dương cực ngaĩn daăn. Nêu tiêp túc làm ngaĩn khoạng cách tređn thì mieăn tôi Faraday khođng còn nữa,
sự phóng đieơn văn tiêp túc cho đên khi A tiên đên giới hán cụa mieăn sáng ađm cực và mieăn tôi Crookes thì sự phóng đieơn sẽ taĩt.
Đaịc trưng cụa sự phóng đieơn thành mieăn là sự phađn bô đaịc bieơt cụa đieơn thê dĩc theo chieău dài ông (hình 5.13). Thí nghieơm cho thây haău hêt đoơ giạm thê xạy ra trong mieăn tôi Crookes, gĩi là đoơ giạm thê catôt UK.
Có theơ giại thích sự phóng đieơn thành mieăn như sau: Khi đieơn áp giữa A và K đụ lớn các electrođn và iođn có sẵn trong chât khí (dù ít) được gia tôc tređn quãng đường tự do trung bình khá dài (vì ở áp suât thâp) neđn có đụ naíng lượng đeơ gađy ra iođn hóa do va chám táo ra các iođn mới làm taíng maơt đoơ hát tại đieơn và baĩt đaău có dòng đieơn trong ông. Tiêp đên đoơ giạm thê catôt có tác dúng quan trĩng. Các iođn dương được táo ra do va chám (trong mieăn sáng ađm cực và coơt sáng dương cực) chuyeơn đoơng veă catôt, khi đi qua mieăn có đoơ giạm thê catôt chúng thu được naíng lượng đụ lớn neđn khi đaơp vào catôt gađy ra phát xá electrođn thứ câp. Các electrođn thứ câp sau khi phát xá ra khỏi catôt lái
1 2 3 4 5
U
l
O
Hình 5.13.Sự phađn bô đieơn thê
K A
Hình 5.12. Sự phóng đieơn thành mieăn
1 2 3
chuyeơn đoơng veă phía anôt, chúng được taíng tôc mánh trong vùng giạm thê catôt, neđn khi va chám với các phađn tử khí chúng tiêp túc iođn hóa chât khí táo ra các iođn dương mới, các iođn này đên lượt chúng lái chuyeơn đoơng veă catôt và lái gađy ra phát xá electrođn thứ câp mới. Quá trình cứ như thê tiêp dieên và sự phóng đieơn trong ông được duy trì.
Mieăn tôi Crookes hình thành do các electrođn thứ câp từ catôt chuyeơn đoơng tređn đốn đường chưa xạy ra va chám với các phađn tử khí, và chúng cũng chưa đụ naíng lượng đeơ iođn hóa chât khí. Chieău roơng mieăn tôi Crookes xâp xư quãng đường tự do trung bình cụa electrođn.
Mieăn sáng catôt là mieăn trong đó xạy ra va chám mánh nhât cụa electrođn với các phađn tử khí. Naíng lượng mà electrođn truyeăn cho các phađn tử khí khi va chám khođng đàn hoăi sẽ gađy ra sự iođn hóa hay kích thích phađn tử khí. Ánh sáng xuât hieơn do kêt quạ sự kích thích các phađn tử khí. Quá trình iođn hóa trong mieăn này táo ra các iođn dương caăn thiêt đeơ duy trì sự phóng đieơn. Do đó khi ta rút ngaĩn khoạng cách giữa các đieơn cực cho đên khi khođng còn mieăn sáng này nữa thì sự phóng đieơn sẽ ngừng.
Các electrođn thứ câp từ catôt sau khi va chám với các phađn tử khí trong mieăn sáng ađm cực sẽ bị giạm vaơn tôc rât nhieău. Các electrođn mới sinh ra trong quá trình iođn hóa cũng chưa có đụ naíng lượng đeơ iođn hóa hoaịc kích thích phađn tử phát sáng, do vaơy mieăn tiêp theo là mieăn tôi Faraday. Trong mieăn này các electrođn di chuyeơn veă Anôt với vaơn tôc bé hơn trong mieăn tôi Crookes.
Sự phađn bô maơt đoơ iođn dương và electrođn trong các mieăn cụa ông rât khođng đeău. Vì iođn dương chuyeơn đoơng rât chaơm so với electrođn neđn ở gaăn catôt maơt đoơ iođn dương rât lớn so với maơt đoơ electrođn, do đó ở gaăn catôt xuât hieơn đieơn tích khođng gian dương rât lớn, dăn đên đoơ giạm thê lớn gaăn catôt mà ta gĩi là đoơ giạm thê ađm cực UK. Ngược lái trong coơt sáng dương cựcthì maơt đoơ iođn dương vã electrođn gaăn baỉng nhau, neđn ở đađy khođng có đieơn tích khođng gian. Do maơt đoơ electrođn lớn neđn coơt sáng dương cực có tính dăn đieơn tôt và đoơ giạm thê ở mieăn này rât nhỏ. Trong mieăn này xạy ra sự tái hợp rât mánh cụa iođn dương và các electrođn giại phóng ra naíng lượng dưới dáng phođtođn, do vaơy mieăn này phát sáng thành coơt sáng dương cực.
Hieơn tượng phóng đieơn thành mieăn được ứng dúng roơng rãi đeơ chê táo các lối đèn ông: đèn neođn, đèn thụy ngađn,…
5.6.8. Phóng đieơn hoă quang.
Phóng đieơn hoă quang được táo thành khi maơt đoơ dòng phóng lớn và được duy trì bởi sự phát xá các electrođn từ catôt bị nung nóng do các va chám cụa những iođn cũng như bởi sự iođn hóa cao do nhieơt đoơ cao.
I(A)
0
a) b)
Hoă quang đieơn xạy ra trong mĩi trường hợp khi mà catôt do đôt nóng, sự phát xá nhieơt electrođn là nguyeđn nhađn caín bạn cụa sự iođn hóa chât khí.