§ 106. Электронные лампы. Явление термоэлектронной эмиссии и обусловленный им электронный ток через ва­куум лежат в основе устройства очень большого числа

разнообразных электрон­ных приборов, нашедших себе чрезвычайно важные применения в технике и в быту. Мы остановимся толь­ко на двух наиболее важ­ных типах этих приборов: электронной лампе (радио­лампе) и электроннолуче­вой трубке.

Рис. 176. а) Двухэлектродная лам­па (диод): 1 — катод (накаленная нить), 2 — анод (цилиндр), 3 — стеклянный баллон, б) Условное изображение диода

Устройство простейшей электронной лампы пока­зано на рис. 176. В ней имеется раскаленная вольф­рамовая нить 1, являю­щаяся источником элект­ронов (катод), и металли­ческий цилиндр 2 (анод), окружающий катод. Оба электрода помещены в стек­лянный или металлический баллон 3, воздух из ко­торого тщательно откачан.

Такая двухэлектродная лампа называется вакуумным диодом.

Если мы включим эту лампу в цепь батареи или дру­гого источника тока так, чтобы анод ее был соединен с положительным полюсом источника, а катод — с отрица­тельным (рис. 177, а), и накалим катод при помощи вспо­могательного источника (батареи накала £_н), то испаряю­щиеся из нити электроны будут лететь к аноду, и через

пФл

Q

J-

со

Рис. 177. а) Ток проходит че­рез диод, когда анод соеди­нен с положительным полю­сом батареи £_а, а катод— с отрицательным, б) Ток не проходит через диод, когда его анод соединен с отрица­тельным полюсом батареи, а катод — с положительным. Б_а — батарея накала нити

&

цепь пойдет ток. Если же мы переключим провода так, чтобы минус источника был соединен с анодом лампы, а плюс — с ее катодом (рис. 177, б), то испаряющиеся из катода электроны будут отбрасываться полем обратно на катод, и тока в цепи не будет. Таким образом, диод обладает тем свойством, что он пропускает ток в одном направлении и не пропу­скает его в обратном на­правлении. Такого рода устройства, пропускаю­щие ток только в одном направлении, называют­ся электрическими вен­тилями. Они широко применяются для вы­прямления переменного тока, т. е. для превра­щения его в постоянный ток (§ 166). Вакуумные диоды, специально при­способленные для этой дели, называются в тех­нике кенотронами.

Электронные лампы более сложного типа, Рис. 178. а) Трехэлектродная лампа: нашедшие себе широкое / ^кат°Д (накаленная нить), 2 — анод „„ ^г (цилиндр), 3 — сетка (редкая спираль).

Применение В радиотех- ^ Условное изображение триода

нике, автоматике и ряде других отраслей техники, содер­жат, помимо накаленного катода (источника электронов) и собирающего эти электроны анода, еще третий дополни­тельный электрод в виде сетки, помещаемой между катодом и анодом. Обычно сетка бывает с очень крупными ячей­ками; например, ее делают в виде редкой спирали (рис. 178).

Основная идея, на которой основано применение таких ламп, заключается в следующем. Включим лампу в цепь батареи Б_а, как показано на рис, 179, и будем накаливать катод с помощью вспомогательной батареи Б_н (батареи

Рис. 180. Вольтамперная характеристика трехэлект­родной лампы

накала). Включенный в цепь измерительный прибор пока­жет, что в цепи идет анодный ток /_а. Подключим теперь к катоду лампы и сетке еще одну батарею Б_с, напряжение которой можем произвольно менять, и будем с ее помощью изменять разность потенциалов U_c между катодом и сет­кой. Мы увидим, что при этом изменяется и сила анодного тока. Таким образом, мы получаем возможность управлять током в анодной цепи лампы, изменяя разность потенциа­лов между-ее катодом и сеткой. В этом и заключается важ­нейшая особенность электронных ламп.

Кривая, изображающая зависимость анодного тока лампы /_а от ее сеточного напряжения U_c, носит название вольгамперной характеристики лампы. Типичная харак­теристика трехэлектродной лампы показана на рис. 180. Как видно из этого рисунка, когда сетка находится при положительном потенциале по отношению к катоду, т. е. соединена с положительным полюсом батареи, то увели­чение сеточного напряжения U_c приводит к увеличению анодного тока до тех пор, пока этот ток не достигнет на­сыщения. Если же мы сделаем сетку отрицательной по отношению к катоду, то при увеличении абсолютного зна­чения сеточного напряжения анодный ток будет падать,

пока при некотором отрицательном потенциале на сетке лампа не окажется запертой, т. е. ток в анодной цепи не обратится в нуль.

Нетрудно понять причину этих явлений. Когда сетка заряжена положительно относительно катода, она притя­гивает к себе электроны из облака объемного заряда вблизи катода; при этом значительная часть электронов проле­тает между витками сетки и попадает на анод, усиливая анодный ток. Таким образом, способствуя рассасыванию объемного заряда, положительно заряженная сетка уве­личивает анодный ток. Наоборот, отрицательно заряжен­ная сетка уменьшает анодный ток, потому что отбрасывает назад электроны, т. е. увеличивает объемный заряд вблизи катода. Так как сетка расположена гораздо ближе к ка­тоду, чем анод, то уже малые изменения разности потен­циалов между ней и катодом очень сильно отражаются на объемном заряде и сильно влияют на силу анодного тока. В обычных электронных лампах изменение сеточного на­пряжения на 1 В меняет анодный ток на несколько милли­ампер. Для того чтобы достичь такого же изменения тока путем изменения анодного напряжения, это напряжение нужно было бы изменить гораздо больше — на несколько десятков вольт.

Рис. 181. Схема включения трех­электродной лампы как усилителя тока и напряжения

Одним из важнейших применений электронных ламп является при­менение их в качестве усилителей слабых токов и напряжений. Пояс­ним на простом примере, как это осуществляется. Представим себе, что между сеткой и катодом лампы

включен резистор с очень боль­шим сопротивлением R_c, скажем 1 МОм (рис. 181). Проходящий через это сопротивление очень слабый ток i, скажем 1 мкА, со­здаст на этом сопротивлении по закону Ома напряжение U_c= iR_c. В нашем примере это напряже­ние равно 1 В. Но при таком из­менении сеточного напряжения анодный ток меняется на 2—3 мА. Стало быть, изменение тока через сеточное сопротивление на 1 мкА

вызывает изменение анодного тока, в несколько тысяч раз большее. Мы усиливаем, таким образом, первоначальный очень слабый ток в несколь­ко тысяч раз, доставляя необходимую энергию за счет анодной батареи.

Если в анодную цепь мы включим некоторое «нагрузочное» сопро­тивление /?нагр> скажем 10 кОм, то изменение анодного тока на 2— —3 мА вызовет приращение напряжения на этом сопротивлении 20—30 В. Иными словами, изменение сеточного напряжения на 1 В изменяет напряжение между точками а и Ь «нагрузочного» сопротивле­ния на 20—30 В. Мы осуществили таким образом усиление первона­чального очень малого напряжения,

Лампы с тремя электродами — катодом, анодом и сеткой,— подобные изображенной на рис. 178, носят на­звание триодов. В современной технике широко применя­ются и более сложные лампы с двумя, тремя и большим числом сеток. Промышленность выпускает в настоящее время для разных целей много десятков типов ламп самых разных размеров, начиная от так называемых «пальчико­вых» ламп толщиной с мизинец и длиной несколько сан­тиметров и кончая лампами выше человеческого роста. В малых лампах, употребляющихся, например, в радио­приемниках, анодный ток равен нескольким миллиампе­рам, в мощных лампах он достигает многих десятков ампер.

1. Почему катод электронной лампы быстро разрушается,

• если лампа плохо откачана и в ней есть небольшое количество газа?

§ 107. Электроннолучевая трубка. Этот важный прибор (рис. 182) по внешнему виду и устройству очень похож на ту трубку, с помощью которой мы изучали действие элект­рического и магнитного полей на катодные лучи (рис. 172).

Экран

Существенное отличие заключается лишь в том, что раньше мы имели в трубке холодный катод, испускавший элект­роны в результате ионной бомбардировки. Теперь же источником электронов является помещенная в узком конце трубки электронная пушка, состоящая из накален­ного катода 1, эмиттирующего электроны, и анода 2, име­ющего вид диска с небольшим отверстием диаметра 1— 3 мм. Между катодом и анодом создают разность потенциа­лов от нескольких сот до нескольких тысяч вольт, так что в пространстве между катодом и анодом существует сильное электрическое поле, разгоняющее вылетающие из катода электроны до очень большой скорости. Катод находится внутри металлического цилиндра, на который также подается положительное (относительно катода) на­пряжение, несколько меньшее, чем напряжение на аноде.

Благодаря совместному действию этого цилиндра и анода почти все электроны собираются (фокусируются) на от­верстии анода и выходят из него в виде тонкого пучка — электронного луча. В том месте, где этот пучок ударяется об экран — покрытое светящимся составом дно колбы,— возникает яркая светящаяся точка.

На своем пути к экрану электронный луч проходит между двумя парами металлических пластин 3 и 4. Если подать некоторое напряжение на первую пару пластин, то поле конденсатора 3 будет отклонять пролетающие через него электроны в сторону положительно заряженной пластины, и светлое пятно на экране сместится по гори­зонтали влево или вправо. Точно так же, если напряжение будет подано на вторую пару пластин 4, то луч отклонится в сторону положительной пластины и светящаяся точка на экране сместится по вертикали вверх или вниз.

Таким образом, по смещению светлой точки на экране мы можем судить'о напряжении, наложенном на соответ­ствующие отклоняющие пластины. Наиболее важно при этом то, что вследствие ничтожно малой инерции элект­ронов электронный луч чрезвычайно быстро реагирует на всякое изменение напряжения на пластинах. Поэтому с помощью электроннолучевой трубки можно следить за процессами, в которых происходят чрезвычайно быстрые изменения электрических напряжений и токов. Особенно часто такого рода задачи возникают в радиотехнике, где приходится иметь дело с токами и напряжениями, меня­ющимися много миллионов (и даже десятков миллионов) раз в секунду.

Электроннолучевая трубка, снабженная соответствую­щими приспособлениями для изучения таких быстропере­менных токов и напряжений, образует прибор, который получил название электроннолучевого (или катодного) ос­циллографа. Этот прибор является одним из важнейших средств исследования не только в радиотехнике, но и в целом ряде других отраслей науки и техники. С каждым годом он все шире внедряется в практику работы исследо­вательских и заводских лабораторий.

Другой чрезвычайно важной областью применения электроннолучевых трубок является телевидение. Элект­роннолучевая трубка является необходимой и важнейшей частью телевизора ¹). Накладывая на пластины соответ­

ствующее напряжение, заставляют луч с большой скоро­стью заштриховывать весь экран рядом параллельных линий (строк). Если бы при этом яркость светящейся точки, определяемая кинетической энергией электронов, оставалась все время постоянной, то мы увидели бы весь экран равномерно светящимся. Но приходящие к прием­нику телевизора сигналы, посылаемые передающей теле­визионной станцией, то увеличивают, то уменьшают ус­коряющее электроны напряжение в соответствии с ярко­стью той или иной точки передаваемого изображения. Поэтому и светящиеся точки на экране получаются то более, то менее яркими, и их совокупность, воспринима­емая нашим глазом, воспроизводит передаваемое изобра­жение.

а 107.1. Электронная пушка, применяемая в телевизионных труб-

• ках для получения катодных лучей, состоит из накаленного като­да и расположенного вблизи него анода с центральным отверсти­ем, через которое пролетает поток электронов. Как изменит­ся скорость электронов, если напряжение между катодом и ано­дом изменится от 700 до 1000 В? Какова будет эта скорость в обоих случаях? Заряд электрона равен 1,60-Ю^-19 Кл, его масса — 0,91 • Ю^-30 кг.

2. В откачанной трубке движется пучок электронов, вылетев­ших из электронной пушки, напряжение в которой между катодом и анодом равно 800 В. Непосредственно перед светящимся экра­ном, на который попадают электроны, расположен плоский кон­денсатор, вдоль оси которого, посредине между пластинами, про­летают электроны. Длина пластин конденсатора равна 8 см, рас­стояние между пластинами равно 2 см, напряжение на пластинах равно 50 В. Насколько сместится след электронов на экране и в какую сторону? Если в трубке присутствуют ионы водорода (мо­лекулярного), однократно заряженные, как положительные, так и отрицательные, то как они будут вести себя в этих условиях? Насколько и в какую сторону сместятся их следы на экране? Задачу решите сначала в общем виде.

Г л а в а IX. ПРОХОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА ЧЕРЕЗ ПОЛУПРОВОДНИКИ