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　真空中への電子の放出には，金属を高温にして固体内の電子が仕事関数より大きな熱エネルギーを得ることで電子を放出させる熱電子放出がよく用いられる。真空中において対向している二つの金属を考え，一方の金属のみを加熱する。この加熱される金属を電極 \(\text{A}\) とし，もう一方を電極 \(\text{B}\) とする。また，電極 \(\text{A}\) は接地され，その電位は零である。電極 \(\text{A}\) から熱電子が放出されている状況で，電極 \(\text{B}\) の電位を (1) とすると，電極 \(\text{A}\) から放出されたほとんどの電子は電極 \(\text{B}\) に集まる。他方，これとは逆の電位を電極 \(\text{B}\) に与えると，電極 \(\text{A}\) から放出されたほとんどの電子は電極 \(\text{A}\) に戻ってしまう。したがって，電極 \(\text{A}\)-\(\text{B}\) 間の電圧－電流特性は (2) を示す。

　電流が流れる方向の電圧を電極 \(\text{A}\)-\(\text{B}\) 間に印加したとき，電極 \(\text{A}\) の温度が低ければ，真空中に電子はわずかしか存在せず，電極 \(\text{B}\) から出た電気力線はほとんどすべて電極 \(\text{A}\) で終端する。ここで，放出される電子数が電極 \(\text{A}\)-\(\text{B}\) 間の電圧によらず一定とすると，電流は電圧 (3) 。

　しかし，電極 \(\text{A}\) の温度を上げていくと放出された電子の量が増え，その電子の (4) 効果が顕著になる。温度を上げ続けるとさらに出てくる電子の量が増え，電子を (5) 電界が電極 \(\text{A}\) の周りにできる。したがって，電極 \(\text{A}\) の温度が高いときは，電極 \(\text{A}\)-\(\text{B}\) 間の電圧の大きさで飛び出てくる電子の量を変えられ，電圧で電流量を変化できる。