Электрический ток в вакууме.

Вакуум. Термоэлектронная эмиссия.

Под вакуумом понимают такую степень разрежения газа в сосуде, при которой длина свободного пробега молекулы в сосуде становится больше ли-нейных размеров сосуда и соударениями между молекулами газа можно пренебречь. При такой степени разрежения самостоятельного газового разряда происходить не может. Чтобы в вакуумной трубке, имеющей два электрода – катод и анод, протекал электрический ток, необходимо каким-либо способом внести: туда заряженные частицы.

Термоэлектронная эмиссия. Существует несколько способов сообщения электронам дополнительной энергии, необходимой для удаления их из металла: нагревание, облучение видимым или ультрафиолетовым светом, воздействие сильного внешнего поля, бомбардировка металлов частицами. При воздействии этих факторов может происходить явление электронной эмиссии.

Термоэлектронной эмиссией называют явление испускания электронов нагреты­ми металлами. Электроны, испускаемые нагретыми металлами, получили название термоэлектронов. При нагревании металла скорость теплового движения свободных электронов возрастает пропорционально . При такой высокой температуре накала скорость отдельных электронов увеличивается настолько, что они вылетают за пределы металла. Подтверждением этого может служить следующий опыт. Составим цепь, изображенную на рис. 12.3.1,а.

Источник тока (батарея аккумуляторов) присоединен с одной стороны к стеклянному баллону-лампочке, оклеенному станиолем, с другой стороны – через гальванометр и цоколь лампочки – к металлической нити накаливания. В стеклянном баллоне создан вакуум. Если на нить накала не подавать напряжения накала (ключ S разомкнут), тока в цепи лет. Если же, замкнув ключ S, накалить нить лампочки, гальванометр Г покажет, что в цепи идет электрический ток. Это происходит потому, что с раскаленной нити срываются термоэлектроны и образовавшийся поток электронов замыкает цепь. Впервые это явление наблюдал Т. Эдисон (1883), поэтому оно получило название эффекта Эдисона.

Электронные лампы.

В цепи, изображенной на рис. 12.3,б, при холодном катоде ток отсутст-вует, так как электрическая проводимость вакуума практически равна нулю. Если с помощью дополнительного источника тока нагреть катод, то из-за термоэлектронной эмиссии катод начнет испускать электроны, миллиампер-метр зарегистрирует появление тока в цепи. Сила тока зависит от разности потенциалов между катодом и анодом, а вернее, от потенциала U_В анода относительно катода.

Такого рода устройства получили широкое применение в радиотехнике и называются электронными лампами.

· Диод. В зависимости от конструктивного исполнения элект-ронные лампы бывают диодами (двухэлектродная электронная лампа, рис. 12.3.2 а, б), триодами ( трехэлектродная лампа, рис. 12.3.2, в), тетродами, пентодами и т.д

В зависимости от способа нагрева катода, различают лампы прямого (рис. 12.3.2, а)и косвенного ( рис. 12.3.2, б) накала.

Анод чаще всего имеет форму цилиндра, по оси которого располагается катод, выполненный из тугоплавкого металла, например вольфрама, молибдена и т. п. Сила тока в лампе зависит от анодного напряжения U_а, температуры нити накала (катода), материала катода и геометрии электродов.

Зависимость анодного тока от анодного напряжения (рис. 12.3.3) называют вольт-амперной характеристикой.

Как видно из рис. 12.3.3, вольтамперная характеристика диода имеет нелинейный характер. Такой характер можно объяснить тем, что вблизи раскаленного катода существует электронное облако – пространственный заряд. При небольших анодных напряжениях при увеличении U_a сила тока увеличивается медленно, а электронное облако, имеющее отрицательный заряд, препятствует движению электронов, вылетающих из катода, и под действием сил отталкивания часть электронов вновь возвращается на катод, а оставшаяся часть достигает анода. С увеличением анодного напряжения плотность электронного облака уменьшается, сила тока увеличивается. При определенном значении напряжения U_a = U_н все электроны, вылетающие из катода, достигают анода, сила тока достигает максимального значения, и дальнейшее увеличение напряжения силы тока изменить не может. Это значение силы тока называется током насыщения I_н. Если повысить температуру Т катода, то это приведет к тому, что электронное облако у катода станет более плотным; следовательно, ток достигнет максимального значения при большем анодном напряжении, а ток насыщения увеличивается (см. рис. 12.3.3). Если потенциал анода меньше потенциала катода, то тока в цепи лампы не будет; следовательно, диоды обладают односторонней проводимостью.

Это свойство позволяет применять их в качестве выпрямителей переменного тока (кенотроны).

· Триод. Для того чтобы управлять силой тока в электрической лампе, в нее входят один, два или несколько дополнительных электродов, называемых сетками (С на рис. 12.3.2,в). Обычно сетки выполняют в виде проволочных спиралей и помещают между анодом и катодом.

Рассмотрим работу триода. Сетку в триоде обычно располагают вблизи катода таким образом, чтобы малейшие изменения потенциала сетки влияли на изменения анодного тока. Если потенциал сетки относительно катода равен нулю, то триод работает как диод. При положительном потенциале сетки плотность электронного облака меньше; следовательно, ток больше. При отрицательном потенциале сетки плотность электронного облака у катода увеличивается, ток уменьшается. При увеличении отрицательного потенциала сетки ток будет уменьшаться и при некотором значении отрицательного потенциала станет равным нулю. Отрицательное сеточное напряжение, при котором анодный ток становится равны нулю, называют напряжением запирания. Напряжение запирания зависит от анодного напряжения. Чем больше U_a, тем больше напряжение запирания. Следовательно, изменяя сеточное напряжение можно регулировать анодный ток в цепи, поэтому сетку называют управляющей.

Электронные лампы находят широкое применение в различных радиотех-нических устройствах – усилителях, генераторах и т.д.