Формула Ричардсона-Дэммана – плотность тремодинамического тока
Термоэлектронная эмиссия
Эмиссионные процессы на поверхности твёрдых тел
Теория эмиссии металлов
В сварочных дугах превалируют процессы термо- и автоэлектронной эмиссии:
При достаточно высокой температуре все металлы испускают электроны, число которых быстро возрастает с повышением температуры. Механизм этого явления заключается в следующем.
Электроны проводимости свободно перемещаются по всему объёму металла, но не могут выходить за его пределы – препятствует электромагнитное поле, действующее в узкой зоне, которую называют поверхностным потенциальным барьером. И вдоль линии АВ внутри металла (рис.4.1) должен быть выше потенциала окружающего пространства, где U=0, на величину ϕ. В теории металлов этот внутренний потенциал считают постоянным (рис.4.1б). В действительности вблизи ионов кристаллической решетки металла периодически возрастает (рис.4.1в). Форму и высоту барьера можно определить при вычислении работы выхода электрона из металла.
Рис. Распределение частиц по скоростям по Максвеллу-Больцману
Рис. Распределение электронов по энергиям в металле по статистике Ферми-Дирака. WF – граница зоны Ферми
Рис.
Если числоэлектронов, выходящих из эмиттера через выбранный участок поверхности за единицу времени равно Nтэ, то плотность термоэмиссионного тока
Если Wа – высота потенциального барьера металла и ось Z его поверхности, то эмитироваться будут электроны, для которых
, а
Расчёт Nтэ следует вести интегрированием в пределах от до ∞ для числа электронов, имеющих скорость от Vх до Vx+dVx. Вычисления на основе квантовых представлений о распределении электронов в металле согласно статистике Ферми-Дирака даст выражение, известное как формула Ричарсона-Дэммана
где постоянная = 120 А/(см2ˑК2)
Эмиттрованные электроны имеют максвелловское распределение. Среднее значение их энергии – это сумма . При движении вдоль оси x имеем: , , поэтому . Эта формула показывает, что начальные скорости термоэлектронов невелики. Например, температура катода T = 3000 К, что соответствует температуре испарения железа W = 2kT = 50 эВ.