Электрический ток в вакууме. Электровакуумные приборы

Важнейшими приборами в электронике первой половины ХХ в. были электронные лампы, в которых использовался электрический ток в вакууме. Однако им на смену пришли полупроводниковые приборы. Но и сегодня ток в вакууме используется в электронно-лучевых трубках, при вакуумном плавлении и сварке, в том числе в космосе, и во многих других установках.

Это и определяет важность изучения электрического тока в вакууме. Вакуум (от лат. vacuum – пустота) – состояние газа при давлении, меньшем атмосферного. Это понятие применяется к газу в замкнутом сосуде или в сосуде, из которого откачивают газ, а часто и к газу в свободном пространстве, например к космосу. Физической характеристикой вакуума есть соотношение между длиной свободного пробега молекул и размером

сосуда, между электродами прибора и т.д. воздух Рис.1. Откачивание воздуха из сосуда Когда речь идет о вакууме, то почему-то считают, что это совсем пустое пространство. На самом же деле это не так. Если из какого-нибудь сосуда откачивать воздух (рис.1), то количество молекул в нем с течением времени будет уменьшаться, хотя все молекулы из сосуда удалить невозможно. Так когда же можно считать, что в сосуде создан вакуум?

Молекулы воздуха, двигаясь хаотически, часто сталкиваются между собой и со стенками сосуда. Между такими столкновениями молекулы пролетают определенные расстояния, которые называются длиной свободного пробега молекул. Понятно, что при откачивании воздуха концентрация молекул (их количество в единице объема) уменьшается, а длина свободного пробега – увеличивается. И вот наступает момент, когда длина свободного пробега становится равной размерам сосуда: молекула

движется от стенки к стенке сосуда, практически не встречаясь с другими молекулами. Вот тогда-то и считают, что в сосуде создан вакуум, хотя в нем еще может быть много молекул. Понятно, что в меньших по размерам сосудах вакуум создается при больших давлениях газа в них, чем в больших сосудах. Если продолжать откачивание воздуха из сосуда, то говорят, что в нем создается более глубокий вакуум. При глубоком вакууме молекула может много раз пролететь от стенки к стенке, прежде

чем встретится с другой молекулой. Откачать все молекулы из сосуда практически невозможно. Где берутся свободные носители зарядов в вакууме? Если в сосуде создан вакуум, то в нем все же есть немало молекул, некоторые из них могут быть и ионизированы. Но заряженных частичек в таком сосуде для выявления заметного тока мало. Как же получить в вакууме достаточное количество свободных носителей заряда?

Если нагреть проводник, пропуская по нему электрический ток или другим способом (рис.2), то часть свободных электронов в металле будет иметь достаточную энергию, чтобы выйти из металла (выполнить работу выхода). Явление излучения электронов накаленными телами называется термоэлектронной эмиссии. Рис. 2. Излучение электронов раскаленным проводником Электроника и радио почти ровесники. Правда, поначалу радио обходилось без своей сверстницы, но позднее

электронные приборы стали материальной основой радио, или, как говорят, его элементарной базой. Начало электроники можно отнести к 1883 году, когда знаменитый Томас Альфа Эдисон, пытаясь продлить срок службы осветительной лампы с угольной нитью накаливания, ввел в баллон лампы, из которой откачан воздух, металлический электрод. Именно этот опыт привел Эдисона к его единственному фундаментально-научному открытию, которое легло

в основу всех электронных ламп и всей электроники до транзисторного периода. Открытое им явление впоследствии получило название термоэлектронной эмиссии. Внешне опыт Эдисона выглядел довольно просто. К выводу электрода и одному из выводов раскаленной электрическим током нити он подсоединил батарею и гальванометр. Стрелка гальванометра отклонялась всякий раз, когда к электроду подсоединялся плюс батареи, а к нити – минус.

Если полярность менялась, то ток в цепи прекращался. Эдисон обнародовал этот эффект и получил патент на открытие. Правда, работу свою он, как говорится, до ума не довел и физическую картину явления не объяснил. В это время электрон еще не был открыт, а понятие «термоэлектронная эмиссия», естественно, могло появиться лишь после открытия электрона. Вот в чем ее суть. В раскаленной металлической нити скорость движения

и энергия электронов повышаются настолько, что они отрываются от поверхности нити и свободным потоком устремляются в окружающее ее пространство. Вырывающиеся из нити электроны можно уподобить ракетам, преодолевшим силу земного притяжения. Если к электроду будет присоединен плюс батареи, то электрическое поле внутри баллона между нитью накаливания и электродом устремит к нему электроны. То есть внутри лампы потечет электрический ток. Поток электронов в вакууме является разновидностью

электрического тока. Такой электрический ток в вакууме можно получить, если в сосуд, откуда тщательно откачивается воздух, поместить нагреваемый катод, являющийся источником «испаряющихся» электронов, и анод. Между катодом и анодом создается электрическое поле, сообщающее электронам скорости в определенном направлении. В трубках телевизоров, радиолампах, установках для плавления металлов электронным лучом, многих других установках электроны движутся в вакууме.

Каким образом получают потоки электронов в вакууме? Как управляют этими потоками? Рис.3 Мы знаем, что в металлах имеются электроны проводимости. Средняя скорость движения этих электронов зависит от температуры металла: она тем больше, чем выше температура. Расположим в вакууме на некотором расстоянии друг от друга два металлических электрода (рис.3) и создадим между ними определенную разность потенциалов.

Тока в цепи не будет, что свидетельствует об отсутствии в пространстве между электродами свободных носителей электрического заряда. Следовательно, в металлах имеются свободные электроны, но они удерживаются внутри металла и при обычных температурах практически не могут выходить из него. Для того чтобы электроны смогли выйти за пределы металла (аналогично вылетанию молекул за пределы жидкости при ее испарении), они должны преодолеть силы электрического притяжения со стороны избытка положительного

заряда, возникшего в металле вследствие вылетания электронов, а также сил отталкивания со стороны электронов, которые вылетели ранее и образовали вблизи поверхности металла электронное «облачко». Иначе говоря, чтобы вылететь из металла в вакуум, электрон должен выполнить определённую работу А против этих сил, естественно, разную для разных металлов. Эту работу называют работой выхода электронов из металла.

Работа выхода выполняется электронами за счет их кинетической энергии. Поэтому ясно, что медленные электроны вырваться из металла не могут, а вырываются только те, кинетическая энергия которых Ек превышает работу выхода, то есть Ек ≥ А. Выход свободных электронов из металла называют эмиссией электронов. Для того чтобы существовала эмиссия электронов, необходимо сообщить электронам проводимости металлов

кинетическую энергию, достаточную для выполнения работы выхода. В зависимости от способа сообщения электронам необходимой кинетической энергии бывают различные типы электронной эмиссии. Если энергия сообщается электронам проводимости за счет бомбардировки металла извне какими-то иными частицами (электронами, ионами), имеет место вторичная электронная эмиссия. Эмиссия электронов может происходить под влиянием облучения металла светом.

В этом случае наблюдается фотоэмиссия, или фотоэлектрический эффект. Возможно также вырывание электронов из металла под действием сильного электрического поля – автоэлектронная эмиссия. Наконец, электроны могут приобретать кинетическую энергию за счет нагревания тела. В этом случае говорят об термоэлектронной эмиссии. 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 до¬полнительные 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. Рис.9 Рис.10 Если на сетку подаётся положительный потенциал относительно катода (рис.9), то значительная часть электронов пролетает от катода к аноду, и в цепи анода существует электрический ток. При подаче на сетку отрицательного потенциала относительно катода электрическое поле между сеткой и катодом препятствует движению электронов от катода к аноду (рис.10), анодный ток убывает.

Таким образом, изменяя напряжение между сеткой и катодом, можно регулировать силу тока в цепи анода, что и послужило причиной названия сетки управляющей. Рис. 11. Схема включения триода Условное графическое обозначение триода показано на рис.11. Промышленность выпускает широкий ассортимент самых разных триодов, а также двойных триодов с общим и раздельными катодами, которые применялись в разной радиоаппаратуре, еще находясь в эксплуатации.

К параметрам триода относятся: внутреннее сопротивление – отношение приращения анодного напряжения к приращению анодного тока, коэффициент усиления – отношение приращения анодного напряжения к приращению напряжения на сетке, крутизна характеристики анодного тока – отношение приращения анодного тока к приращению напряжения на сетке: Внутреннее сопротивление Ri измеряется в кОм, крутизна характеристики S – в А/В, коэффициент усиления μ – величина безразмерная.

К предельным эксплуатационным параметрам триодов относится те же параметры, что и к диодам: минимальное и максимальное напряжения накала, наибольшее допустимо обратное напряжение анода, наибольшее напряжение между катодом и подогревателем, наибольший средний анодный ток, предельная мощность, рассеиваемая анодная, а также дополнительные параметры (наибольшее отрицательное напряжение на сетке и наибольшее сопротивление в цепи сетки). Необходимость ограничения сопротивления в цепи сетки связана с тем, что сетка обычно

располагается очень близко к катоду и может им нагреваться. При этом возможно появление термоэлектронной эмиссии с сетки, которая приводит к обратному сеточному току. Хотя эта эмиссия и обратный ток очень малы, но при большем сопротивлении в цепи сетки ток создает на нем ощутимое падение напряжения, которое может нарушить нормальный режим лампы. При использовании триодов в схемах, работающих на высокой частоте, приходится учитывать и собственные

междуэлектродные емкости лампы: входную емкость между анодом и катодом, а также проходную емкость между анодом и сеткой. Если входная и выходная емкости оказываются подключенными параллельно нагрузкам предыдущего и данного каскадов, что не очень страшно, то проходная емкость может приводить к очень неприятным последствиям. В усилительных схемах слабый сигнал обычно подается на сетку лампы, а на аноде образует усиленный сигнал. Проходная емкость создает путь этому сигналу с анода обратно на сетку, что может привести к самовозбуждению

каскада. Это особенно опасно на высокой частоте, когда сравнительно небольшая емкость обладает небольшим емкостным сопротивлением. Тетрод – четырехэлектродная лампа Для уменьшения проходной емкости были созданы четырехэлектродные лампы – тетроды (рис.12). У такой лампы между управляющей сеткой и анодом располагается экранная сетка, которая заземляется по переменному току конденсатором большой емкости. Благодаря этому проходная емкость уменьшается в сотни

и тысячи раз. По постоянному току на экранную сетку подается положительное напряжение, примерно такое же что и на анод. Так эта сетка увеличивает притягивающее поле, которым электроны из электронного облака вынуждаются лететь к аноду, и часть летящих к аноду электронов попадает на нее. Образуется ток экранной сетки, составляющий примерно 10 20% от анодного тока, с чем приходится мириться. Рис. 12. Четырехэлектродная лампа – тетрод. Основной недостаток тетрода – динатронный эффект – состоит

в следующем. Электроны на пути от катода к аноду разгоняются до большой скорости. При напряжении на аноде 100 Ват эта скорость достигает 6 000 км/с – в 10 000 раз больше скорости пули при вылете из дула винтовки. Ударяясь о поверхность анода, электроны выбивают из него другие, вторичные электроны. Такое явление называется вторичной электронной эмиссией. Если напряжение на экранной сетке больше сетки на аноде, вторичные электроны с анода направляются на

экранную сетку. В результате анодный ток уменьшается, а на анодной характеристике тетрода появляется провал. Для борьбы с динатронным эффектом в конструкцию тетродов вводят специальные лучеобразующие пластины, которые концентрируют электронный поток на небольшой части поверхности анода, где создается пространственный заряд, препятствующий обратному потоку вторичных электронов на экранную сетку. Такие тетроды называются лучевыми. Другой способ борьбы с динатронным эффектом состоит в установке

еще одной сетки между экранной сеткой и анодом. Она носит название защитной или антидинотродной сетки и соединяется с катодом внутри или снаружи лампы, для чего имеется отельный вывод. Такие пятиэлектродные лампы называются пентодами. Антидинатронная сетка выполняется редкой, на поток быстрых первичных электронов влияния не оказывает, медленные же вторичные электроны отталкиваются ею обратно на анод.

К многоэлектродным лампам относятся лампы, имеющие более трех сеток, например, гептоды, у которых пять сеток. Гептоды предназначены для преобразования частоты сигнала и содержат две раздельные управляющие сетки. Очередность расположения сеток при счете от катода следующая: первая сетка является первой управляющей, вторая сетка – экранная, далее следует вторая упра