5.1.3.4. Электрический ток в вакууме

Вакуум – идеальный диэлектрик. Для создания тока в него необходимо ввести свободные электроны. Их масса и объём пренебрежимо малы (по сравнению с ионами). Это позволяет считать, что при появлении свободных электронов вакуум не нарушается.

• Ток в вакууме – упорядоченное движение электронов.

5.1.3.4.1. Термоэлектронная эмиссия в вакууме

Возьмём эвакуированный (п.2.2.5.) стеклянный баллон с двумя металлическими пластинами внутри. Подключим к выводам пластин источник напряжения U. Амперметр регистрирует отсутствие тока в цепи. Нагреем катод. Прибор покажет наличие тока. Значит, происходит термоэлектронная эмиссия и под действием поля свободные электроны достигают анода. Работа поля по перемещению электрона от катода к аноду . Вся она идёт на увеличение кинетической энергии (разгон) электрона: .

• Одним из первых изучением тока в вакууме занимался изобретатель Томас Эдисон (1847–1931, США).

5.1.3.4.2. Вакуумный диод и его применение

Простейшая двухэлектродная лампа – вакуумный диод – построена на явлении термоэлектронной эмиссии и состоит из эвакуированного стеклянного баллона, с двумя металлическими электродами – анодом и катодом. Анод А изготовлен из пластины, катод К – из тонкой проволоки, свёрнутой в спираль и нагреваемой электрическим током от источника напряжения U_накала. Подключим диод к источнику напряжения U. Если _А > _К, то по цепи будет протекать ток I.

Зависимость I(U) имеет вид:

Если диод включить в обратном направлении (_А < _К), то электрическое поле будет препятствовать движению электронов от катода к аноду и тока в цепи анод–катод не будет. Таким образом, диод проводит ток только в одном направлении: от анода к катоду при _А > _К.

Это свойство используют в электротехнике для преобразования переменного тока в постоянный. В цепи, содержащей диод, ток своего направления менять не может – протекает от анода к катоду, либо не протекает совсем.

• Наряду с обычными, изготавливают диоды с катодом косвенного накала, в которых ток накала проходит не по катоду, а по подогревающей спирали.

5.1.3.4.3. Вакуумный триод и его применение

Вакуумный триод имеет три электрода: анод, катод и сетку (управляющий электрод). С помощью сетки можно управлять силой тока анод–катод.

• Конструктивно сетка представляет собой несколько витков проволоки, намотанной вокруг катода.

Если на сетку подать неотрицательный потенциал относительно катода (U_ск  0), то электроны движутся от катода к аноду и в цепи анод–катод протекает ток. При U_ск < 0 между катодом и сеткой создаётся поле, препятствующее движению электронов от катода к аноду. Чем ниже потенциал сетки относительно катода, тем сильнее поле и тем меньше электронов достигает анода. При некотором значении U_ск = U_з анодный ток I_а полностью прекращается (лампа «запирается»).

График I_a(U_ск) имеет вид:

Ток сетка–катод много меньше тока анод–катод, а U_ск < < U_ак. Значит, затратив малую мощность на создание напряжения U_ск, можно управлять током гораздо большей мощности в цепи анода.

Таким образом, вакуумный триод применяется для увеличения мощности электрического тока, т. е. является усилителем.

Мощность сигнала цепи анода P_А больше мощности сигнала цепи сетки P_C в k раз.

, где k – коэффициент усиления сигнала по мощности.

• Под сигналом подразумевается наличие в цепи тока или напряжения.