Лекция №25. Ток в вакууме. Электровакуумные приборы.

Вакуум – это пространство не заполненное веществом. Идеального вакуума не существует. Часто под вакуумом понимают такую степень разрежения газа в сосуде, при котором длина свободного пробега молекулы становится больше линейных размеров сосуда. В этом случае соударениями между молекулами газа можно пренебречь. Вакуум  отличный изолятор, поскольку в нем отсутствуют свободные электрические заряды. Проводимость некоторого вакуумного объема можно создать искусственно, если в этот объем ввести свободные заряды от какого-либо источника. Для этой цели используется явление термоэлектронной эмиссии  вылет электронов с поверхности нагретого металла. Явление можно наблюдать с помощью следующего прибора. В стеклянном баллоне укрепляются два электрода: тонкая нить, которая служит катодом, и цилиндрический электрод  анод (рисунок 25.1 а). В баллоне создается высокий вакуум. Схематически эта лампа изображается так, как показано на рисунке 25.1 б. Включим лампу в цепь, изображенную на рис. 25.3. Здесь К  выключатель, ИП_Н  батарея накала, ИП_А  батарея анода, тА  миллиамперметр. Если разомкнуть выключатель К, то в цепи не будет тока даже в том случае, если напряжение на аноде довести до 300—400 В. При замыкании ключа нить, которая служит катодом, раскаляется. При этом в цепи возникает ток. Отсюда мы заключаем, что из раскаленного катода вырываются отрицательно заряженные частицы и под действием электрического поля устремляются к аноду. Измерение их удельного заряда привело к выводу, что это  электроны. Их называют термоэлектронами. При нагревании металла кинетическая энергия теплового движения свободных электронов возрастает пропорционально температуре. При высокой температуре накала энергия отдельных электронов увеличивается настолько, что они могут вылететь за пределы металла. Явление термоэлектронной эмиссии аналогично испарению жидкости. Так же как молекулы, энергия которых больше энергии испарения, вылетают из жидкости, так и электроны, энергия которых больше работы выхода, вылетают из металла. С ростом температуры число таких частиц очень быстро возрастает. Наконец, так же как над поверхностью жидкости образуется насыщенный пар, так и вокруг катода образуется электронное облако.

Лампа, изображённая на рисунке 25.1, называется двухэлектродной электронной лампой или, короче, диодом. Применяются лампы с прямым и «косвенным накалом». В лампах с прямым накалом нить накала изготавливают из вольфрама и она одновременно служит катодом. Для получения значительной эмиссии нить нагревают до температуры 2000  2500 К. В лампах с косвенным накалом катод представляет собой никелевую трубочку, покрытую слоем окиси бария, стронция или кальция. Работа выхода с поверхности такого катода в несколько раз меньше, чем с вольфрама. Это позволяет снизить температуру накала до 1000 К. Подогрев катода обеспечивается небольшой спиралью, помещенной внутрь трубочки (рисунок 25.2, а). На схемах лампа с косвенным накалом изображается так, как показано на рисунке 25.2, б.

Сила тока в лампе зависит от анодного напряжения U_а, температуры нити накала, материала катода и геометрии электродов. Зависимость анодного тока от напряжения (рисунок 25.4) называют вольт-амперной характеристикой. Её можно получить при помощи схемы изображённой на рисунке 25.3. Анодный ток I_а можно усиливать, повышая анодное напряжение U_а с помощью реостата сопротивлением R₂, так как при этом будет возрастать скорость электронов в лампе. Однако возможности этого способа усиления тока ограничены. При некотором значении напряжения U_н1 сила анодного тока достигает максимальной величины I_н1. Это явление называют насыщением, а максимальный ток – током насыщения. Это явление обусловлено тем, что все электроны, вылетающие за некоторый промежуток времени из катода, достигают анода за тот же промежуток времени. При токе насыщения электронное облако полностью рассасывается.

На рисунке 25.4, прежде всего, бросается в глаза нелинейность характеристики. Это значит, что изменения тока не пропорциональны изменению напряжения анода, иными словами, закон Ома здесь не выполняется. Причина заключается в следующем. Как известно сила тока I=enS. В металлах и электролитах концентрация свободных зарядов (электронов или ионов) не зависит от тока, а средняя скорость движения зарядов пропорциональна напряженности поля. Отсюда и следует закон Ома 20.5. Совершенно иначе обстоит дело в электронной лампе. Благодаря наличию вокруг катода электронного облака зависимость скорости зарядов от напряженности поля оказывается более сложной, и с ростом тока концентрация зарядов в электронном облаке уменьшается. В результате оказывается, что зависимость тока от напряжения на нарастающем участке характеристики выражается «законом трех вторых»:

, (25.1)

где В – коэффициент, зависящий от формы, размеров и взаимного расположения электродов.

Чтобы повысить силу тока насыщения, необходимо увеличить число электронов, испускаемых катодом в единицу времени. Для этого следует повысить температуру катода, увеличив силу тока накала при помощи реостата R₁. Кривая 2 на рисунке 25.4 относится к более высокой температуре катода, чем кривая 1.

Если подать на анод отрицательное по отношению к катоду напряжение, то лампа запирается и анодный ток становится равен нулю. Это значит, что кинетической энергии электронов недостаточно, чтобы преодолеть действие поля, отталкивающего их от анода.

Для того чтобы управлять силой тока в электрической лампе, в неё дополнительно устанавливают один или два электрода, называемых сетками. Обычно сетки выполняют в виде проволочных спиралей и устанавливают между анодом и катодом. Электронную лампу с одной сеткой или с тремя электродами называют триодом. Условное обозначение триода изображено на рисунке 25.5. Сетку 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, а ток уменьшается. При некотором значении отрицательного потенциала сетки ток становится равен нулю. Сеточное напряжение, при котором ток прекращается, называют напряжение запирания. Изменяя сеточное напряжение можно регулировать ток в цепи, поэтому сетку называют управляющим электродом. Электронные лампы находят применения в различных радиотехнических устройствах – усилителях, генераторах и т.д.