Рассмотрим подробнее явление термоэлектронной эмиссии и его применение.
При обычных температурах мизерное число электронов может обладать кинетической энергией, сравнимой с работой выхода электронов из металла. С повышением температуры число таких электронов растет и при нагревании металла до температур порядка 1000 – 1500 градусов уже значительное число электронов будет иметь энергию, превышающую работу выхода из металла. Именно эти электроны могут вылететь из металла, но они не удаляются от его поверхности, поскольку металл при этом заряжается положительно и притягивает электроны. Поэтому около нагретого металла создается «облачко» электронов. Часть электронов из этого «облачка» возвращается обратно в металл, и в то же время из металла вылетают новые электроны. При этом между электронным «газом» и электронным «облачком» устанавливается динамическое равновесие, когда число электронов, вылетающих за определённое время из металла, сравнивается с числом электронов, которые за то же время возвращаются из «облачка» в металл.
Вакуумный диод (двухэлектродная лампа)
Из предыдущего параграфа становится понятным, как сделать так, чтобы в рассмотренной выше цепи (рис.3) протекал постоянный электрический ток. Очевидно, достаточно нагреть один из металлических электродов, а именно электрод, соединённый с отрицательным полюсом источника тока. В этом случае электроны, вылетая из нагретого металла, будут притягиваться к положительно заряженному электроду, и в цепи будет протекать ток. Так мы, наконец, подошли
к принципу устройства двухэлектродной лампы (диода), широко применяемой в электра - и радиотехнике.
Рис.4
Современный диод состоит из стеклянного или металлического баллона (рис.4), из которого тщательно откачивается воздух. В баллон впаяны два электрода, один из которых (катод) изготовляют в виде нити из тугоплавкого металла, обычно вольфрама, которая может разогреваться от источника тока для создания электронного «облачка» в баллоне. Анод диода чаще всего имеет форму цилиндра, внутри которого по оси расположен накаливаемый катод.
Рассмотренный нами катод – катод прямого накала – применятся редко. Наиболее распространены катоды косвенного подогрева. Они представляют собой полупроводниковый слой, нанесённый на керамическую трубочку. Нагреваются эти катоды с помощью миниатюрной электрической печки (рис.5) – подогревателя. На
(рис.6) показано схематическое изображение диода с катодом прямого (а) и косвенного (б) накала.
а) б)
Рис.5 Рис.6
Познакомимся с основными свойствами диода. Для этого составим электрическую цепь из диода, источников напряжения Ua и Uk и гальванометра (рис.7). Коммутатор К2 позволяет создавать между анодом и катодом напряжение (анодное) разной полярности. При замыкании переключателя К2 в положение 1 на анод подается положительный относительно катода потенциал, а при замыкании переключателя К2 в положение 2 – отрицательный.
Рис.7
Если замкнём переключатель К2 в положение 1, то есть сообщим аноду положительный относительно катода потенциал, но не замкнём переключатель К1 (не будем разогревать катод), то тока в цепи не будет даже при больших анодных напряжениях Uа. И это понятно. Температура обоих электродов равна комнатной, термоэлектронная эмиссия катода анода ничтожно мала, и в пространстве между анодом и катодом практически отсутствуют заряженные частицы, движение которых в электрическом поле могло бы создать электрический ток.
Если переключатель К1 замкнуть и разогреть катод, то даже при анодном напряжении Ua=0 в цепи анода будет протекать незначительной силы ток I0. Возникновение этого тока можно объяснить так.
При высокой температуре катода большой будет и эмиссия электронов из него. Наиболее быстрые электроны, вылетевшие из катода, долетают до анода, создавая в цепи анодный ток. Если аноду сообщить небольшой отрицательный потенциал относительно катода (переключатель К2 в положении 2), то сила анодного тока уменьшается, поскольку в этом случае электроны должны преодолевать тормозящее поле между анодом и катодом. При определённом анодном напряжении U1 даже наиболее быстрые электроны не могут преодолеть тормозящее поле и сила анодного тока равна нулю.
Сообщим теперь аноду положительный относительно катода потенциал (переключатель К2 в положении 1). В этом случае электрическое поле между анодом и катодом содействует движению электронов к аноду, но при этом нарушается динамическое равновесие между вылетом из катода и возвращением в него электронов и эмиссия усиливается. Зависимость между силой тока в диоде и анодным напряжением можно изобразить графически (рис.8)
Ia
Iн -----------------------------------
Рис.8 U1 а U2 U3 Uн Uа
Кривая, показывающая зависимость силы тока в диоде от анодного напряжения, называется вольтамперной характеристикой диода. По мере увеличения анодного напряжения всё большее число вылетающих из катода электронов увлекается электрическим полем и сила анодного тока резко возрастает до тех пор, пока напряжение не достигнет такого значения Uн, при котором все вылетающие из катода за единицу времени электроны будут перемещаться полем к аноду. Сила анодного тока достигает максимального значения Iн, которое называют силой тока насыщения диода, и дальнейшее увеличение анодного напряжения не ведёт к увеличению силы анодного тока. Анодное напряжение Uн получило название напряжения насыщения.
При напряжении Uа = 0 сила тока Iо очень мала, значительно меньше силы тока насыщения, поэтому считают, что вольтамперная характеристика проходит через начало координат, то есть пренебрегают силой тока Iо: тогда при Ua = 0 и I0 = 0.
Обратите внимание, что вольтамперная характеристика диода нелинейная, как это имеет место в случае металлических проводников. Сопротивление диода, найденное как частное от деления анодного напряжения на силу тока, при разных анодных напряжениях будет разным и не может служить параметром диода. Таким образом, электронная лампа является примером проводника, для которого не выполняется закон Ома.
Поскольку накаливаемый диод лампы испускает электроны, а не положительные ионы, диод проводит ток только в случае сообщения аноду лампы положительного относительно катода потенциала. Если же аноду сообщить отрицательный потенциал, то термоэлектроны будут отталкиваться от отрицательно заряженного анода и притягиваться к положительно заряженному катоду и ток через лампу не идет – лампа запирается. Это означает, что лампа обладает односторонней проводимостью. Односторонняя проводимость диода широко используется в технике для выпрямления переменного тока.
Вакуумный триод Для улучшения действия электронной лампы в нее вводят дополнительные сетки. Лампу с двумя сетками называют тетродом (т. е. четырехэлектродной), с
тремя — пентодом (пятиэлектродной). Появление электронных ламп разнообразных устройств, основанных на их применении, сыграли огромную роль в
развитии радио. Триод также применяют, как генератор электрических колебаний.
Потоком электронов, движущихся в электронной лампе от катода к аноду можно управлять с помощью электрических и магнитных полей. Простейшим электровакуумным прибором, в котором осуществляется управление потоком электронов с помощью электрического поля, является триод. Баллон, анод и катод вакуумного триода имеют такую же конструкцию, как и у диода, однако на пути электронов от катода к аноду в триоде располагается третий электрод, называемый сеткой. Обычно сетка – это спираль из нескольких витков тонкой проволоки вокруг катода.
