Alma38.ru

Электро Свет
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Все что нужно знать о вакуумном диоде

Все что нужно знать о вакуумном диоде

Собирая различные электрические приборы в своей домашней лаборатории, многие люди не только экономят деньги на приобретении новой техники, но и чинят вышедшие из строя электроизделия. Для полноценной работы многих приборов требуются диоды, которые сегодня представлены самыми разнообразными экземплярами. В сегодняшней статье речь пойдет о таком элементе, которые довольно часто встречается в электрических схемах – вакуумный диод.

Чтобы правильно использовать такую детальку, необходимо знать ее устройство, а также какая схема и принцип работы для нее характерны. Обо всем этом вы узнаете из этой статьи.

Что представляет собой устройство

Современный диод вакуумного типа представляет собой баллон, выполненный из металлокерамики или стекла, лишенный воздуха. Их этого баллона выкачивают воздух до давления, находящегося на уровне 10-6 — 10-7 мм рт. ст. Отсюда и название данного элемента электросхем.

Устройство вакуумного диода

Строение диод вакуумного типа

Внутри такой баллон размещены два электрода. Одним из них является катод. Он имеет вид металлического вертикального цилиндра, который покрыт слоем оксида щелочно-земельных металлов (кальция, стронция, бария). Благодаря такому напылению данный элемент получил название оксидный катод.

Обратите внимание! При его нагревании с поверхности происходит значительно большее испускание электродов, чем с обычного металлического элемента аналогичного вида.

Катод внутри содержит изолированный проводник, нагреваемый переменным или постоянным током. При нагревании, катод испускает электроны, которые движутся и достигают второго элемента вакуумного диода – анода.
Анод имеет вид овального или круглого цилиндра. Он с катодом имеет общую ось. Схема диода вакуумного типа имеет следующий вид.

Устройство диодов вакуумного типа

Схема диода вакуумного типа

Кроме вакуумного диода существует еще такое понятие, как электровакуумный диод.
Под собой электровакуумный диод подразумевает двухэлектродную вакуумную электронную лампу. Ее строение аналогично диоду вакуумного типа. По сути это одно и тоже. Здесь катод представляет собой W-образную или прямую нить. Он, в процессе работы такой лампы, нагревается до определенной температуры. В результате нагрева возникает термоэлектронная эмиссия. В ходе подачи на анод отрицательного напряжения относительно катода, электроны возвращаются обратно на катод. Когда на анод подается положительное напряжение, часть из эмитированных электронов начинает двигаться в нему. В результате возникает ток.
В результате своей работы вакуумные диоды и их аналоги способны на выпрямление приложенного к ним напряжения. Таким основным своей свойством обладают вакуумные выпрямители, поэтому они используются в качестве детекторов сигналов высокой частоты и выпрямления переменного тока.
Такое устройство характерно для всех изделий подобного типа. При этом данное устройство и определяет основные характеристики изделия, а также то, какое применение оно будет иметь.

Обратите внимание! Частотный диапазон для диода вакуумного типа несколько ограничен и не превышает 500 МГц. При этом интегрированные в волноводы дисковые диоды, способны на детектирование частоты до 10 ГГц.

Формы основных элементов диода

Элементы вакуумного диода

Форма катода и анода

Катод, входящий в состав диода вакуумного типа, зачастую имеет вид латинских букв W или V. Такая форма используется для увеличения длины изделия. В тоже время анод будет более выгодным, если станет изготавливаться в виде коробки, лишенной боковых граней. В сечении анод имеет форму прямоугольника с закругленными углами.

Такая форма анода определяется необходимостью для того, чтобы он во всех направлениях по возможности находился на одинаковом расстоянии от нагреваемого катода. По этой причиной наиболее выгодной формой для обоих элементов является эллиптическая.
Чтобы снизить степень нагрева анода в его устройстве часто фигурируют ребра (крылышки). Благодаря их наличию, анод имеет более качественное отведение тепла.
И катод и анод в баллоне крепятся при помощи специальных держателей. Для большего удобства в эксплуатации, внизу лампы устанавливается цоколь, состоящий из изоляционного материала. Он оснащен металлическими ножками-штырьками. Эти штырьки обеспечивают контакт лампы при включении ее в гнезда ламповой панели.
Вот такое устройство имеет электровакуумная лампы или диод вакуумного типа.

Принцип функционирования диода вакуумного типа

Чтобы схема, в которую входит выпрямитель вакуумного типа, работала как надо, следует понимать принцип работы такой детали.

Функционирование диода

Принцип работы диода

Принцип работы вакуумных диодов представляет собой следующую картину:

  • в ходе разогрева катода, электроны с его поверхности начнут отделяться;
  • их отделение происходит за счет формирования термоэлектронной эмиссии;
  • освобожденные с поверхности электроны начинают препятствовать вылету других электронов. В следствии этого вокруг поверхности катода образуется облако электронов;
  • часть электронов этого облака, обладающие наименьшими скоростями, опускается обратно на поверхность катода;
  • в ситуации, когда задается определенная температура, облако электронов стабилизируется. Это означает, что с катода вылетает столько же электронов, сколько потом на него опускается;
  • при наличии нулевого напряжения, например, при ситуации короткого замыкания анода на катоде, в лампе начинает течь ток электронов по направлению от катода к аноду. В данной ситуации наиболее быстрые электроны способны преодолеть имеющуюся потенциальную яму, из-за чего они и притягиваются к аноду. Отсечка тока происходит в той ситуации, когда на анод подается отрицательное запирающее напряжение. Это напряжение должно иметь один вольт или ниже.
  • в ситуации подачи положительного напряжения на анод, в диоде формируется ускоряющее поле, которое способствует возрастанию на аноде тока. Когда ток на этом элементе достигает значений, которые близки в пределу эмиссии катода, происходит замедление роста тока и его стабилизация. Т.е. наблюдается эффект «насыщения».
Читайте так же:
Электрическая схема подключения двухклавишного выключателя с лампочками

Вот по такому принципу работают диоды вакуумного типа.

Важная характеристика диодного элемента – ВАХ

Все диоды, в не зависимости от того, вакуумные оны или нет, обладают таким параметром, как вольт амперная характеристика или сокращенно ВАХ.

Графическое отображения ВАХ

ВАХ вакуумного диода

Чтобы разобраться, что же это за вольт амперная характеристика, рассмотрим график на примере происходящих в лампе процессов.
В самом начале, когда на аноде отсутствует напряжения, вокруг катода в следствие его нагрева формируется электронное облако. Когда на аноде возникает положительное небольшое напряжение, самые быстрые электроны, входящие в электронное облако катода, начинают устремляться к аноду. В результате можно регистрировать анодный ток небольшой величины. В ситуации, когда анодное напряжение будет продолжать увеличиваться, из электронного облака все большее число электронов будут перетекать к аноду в плоть до полного «рассасывания» катодного электронного облака. Это состояние соответствует точке В на графике, приведенном выше. Такое напряжение означает, что всех вылетающие из катода электроны будут немедленно притягиваться к аноду.
Обратите внимание! Дальнейшее нарастание анодного тока при сохранении величины накала не происходит. Чтобы добиться увеличение данного показателя необходимо использовать дополнительные электроны. А они здесь отсутствуют. Для этого увеличения показателя можно повысить накал катода, но такой способ не используется поскольку приводит к уменьшению срока службы катодного элемента.
Таким образом вся эмиссия катода при конкретной температуре накала будет исчерпана. В результате анод достиг ситуации «насыщения током».
Все эти процессы, поэтапно, отращены на вольт амперной характеристики, приведенной выше. Такой параметр, как вольт амперную характеристику в высшей точке, можно рассматривать как предел возможностей диода.
Как видим принцип работы изделия неотделим от ВАХ. При этом последняя является его отражением.

Где используются такие изделия

Применение электровакуумных ламп определяется их основными возможностями или свойствами, а именно способностью пропускать ток только в одном направлении. Это связано с тем, что в диоде движение электронов возможно только от катода к аноду. Иногда такое свойство диодных выпрямителей называется односторонней проводимостью. Благодаря такому свойству, вакуумные диоды применяются в качестве преобразователя постоянного тока в переменный (его выпрямления). Такие способности данного рода изделий обеспечили им обширное применение в радиоаппаратуре.

Обратите внимание! Использование диода вакуумного типа позволит решить проблему питания радиоаппаратуры от промышленной сети переменного тока.

Схема, по которой можно использовать диода в качестве выпрямителя для переменного тока, довольно проста.

Принцип использования диода как выпрямитель

Схема диода, работающего как выпрямитель

В данной ситуации между анодом и катодом следует включить источник переменного тока. Вверху графика отражено напряжение источника переменного тока. Здесь имеется периодическое его изменение с определенной частотой по типу синусоиды. С такой же чистотой меняется напряжение на аноде по отношению к катоду. Часть времени анод будет положительным (верхняя часть графика), а часть – отрицательным (нижняя часть графика).
При положительных полупериода на аноде будет положительное напряжение. В такой ситуации ток будет течь, а при противоположном значении полупериода – он будет отсутствовать. В результате получаться импульсы, равные по частоте переменному току.

Заключение

Зная особенности функционирования диодов вакуумного типа, можно максимально полно использовать их особенности в работе радиоэлектронных приборов. Помните, что каждый вид диодов имеет свои особенности и способен оптимально работать в определенных условиях. Учет всех параметров его работы, а также ВАХ, позволит выжать из изделия максимум без нарушения принципов его функционирования.

Определить ток насыщения в электронной лампе

Ознакомиться с основными фотометрическими величинами; ознакомиться с принципом работы фотометра; проверить выполнение закона Ламберта для источника света

Общие сведения

Полупроводниковые диоды и стабилитроны

Выпрямительные диоды и стабилитроны представляют собой полупроводниковые приборы с одним электронно-дырочным переходом (p–n-переходом).

Одним из свойств p–n-перехода является способность изменять свое сопротивление в зависимости от полярности напряжения внешнего источника. Причем разница сопротивлений при прямом и обратном направлениях тока через p–n-переход может быть настолько велика, что в ряде случаев, например для силовых диодов, можно считать, что ток протекает через диод только в одном направлении – прямом, а в обратном направлении ток настолько мал, что им можно пренебречь. Прямое направление – это когда электрическое поле внешнего источника направлено навстречу электрическому полю p–n- перехода, а обратное – когда направления этих электрических полей совпадают. Полупроводниковые диоды, использующие вентильное свойство p–n-перехода, называются выпрямительными диодами и широко используются в различных устройствах для выпрямления переменного тока.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) идеализированного p–n-перехода описывается известным уравнением

где (I_0) – обратный ток p–n-перехода; (q) – заряд электрона (q=1,6cdot 10^<-19> Кл); (k) – постоянная Больцмана (k = 1,38⋅10^ <-23>Джcdot град); (T) – температура в градусах Кельвина.

Графическое изображение этой зависимости представлено на рис. 1.1.

Вольт-амперная характеристика имеет явно выраженную нелинейность, что предопределяет зависимость сопротивления диода от положения рабочей точки.

Различают сопротивление статическое (R_<ст>) и динамическое (R_<дин>). Статическое сопротивление (R_<ст>), например в точке А (рис. 1.1), определяется как отношение напряжения (U_A) и тока (I_A), соответствующих этой точке: (R_ <ст>= frac = tg)

Читайте так же:
Схема включения двух ламп через выключатель

Динамическое сопротивление определяется как отношение приращений напряжения и тока (рис. 1.1): (R_ <дин>= frac);

Рис. 1.1Рис. 1.1

При малых значениях отклонений (∆U) и (ΔI) можно пренебречь нелинейностью участка АВ характеристики и считать его гипотенузой прямоугольного треугольника АВС, тогда (R_ <дин>= tgβ).

Если продолжить линейный участок прямой ветви вольт-амперной характеристики до пересечения с осью абсцисс, то получим точку (U_0) – напряжение отсечки, которое отделяет начальный пологий участок характеристики, где динамическое сопротивление (R_<дин>) сравнительно велико от круто изменяющегося участка, где (R_<дин>) мало.

При протекании через диод прямого тока полупроводниковая структура нагревается, и если температура превысит при этом предельно допустимое значение, то произойдет разрушение кристаллической решетки полупроводника и диод выйдет из строя. Поэтому величина прямого тока диода ограничивается предельно допустимым значением (I_<пр.max>) при заданных условиях охлаждения.

Если увеличивать напряжение, приложенное в обратном направлении к диоду, то сначала обратный ток будет изменяться незначительно, а затем при определенной величине (U_<проб>) начнется его быстрое увеличение (рис. 1.2), что говорит о наступлении пробоя p–n-перехода. Существуют несколько видов пробоя p–n-перехода в зависимости от концентрации примесей в полупроводнике, от ширины p–n-перехода и температуры:

  • обратимый (электрический пробой);
  • необратимые (тепловой и поверхностный пробои).

Необратимый пробой для полупроводникового прибора является нерабочим и недопустимым режимом.

Рис. 1.2Рис. 1.2

Поэтому в паспортных данных диода всегда указывается предельно допустимое обратное напряжение (U_<проб>) (напряжение лавинообразования), соответствующее началу пробоя p–n-перехода. Обратное номинальное значение напряжения составляет обычно (0,5 U_<проб>) и определяет класс прибора по напряжению. Так, класс 1 соответствует 100 В обратного напряжения, класс 2 – 200 В и т. д.

В некоторых случаях этот режим пробоя используют для получения круто нарастающего участка ВАХ, когда малому приращению напряжения (∆U) соответствует большое изменение тока (ΔI) (рис. 1.2). Диоды, работающие в таком режиме, называются стабилитронами, т. к. в рабочем диапазоне при изменении обратного тока от (i_<обр. min>) до (i_<обр. max>) напряжение на диоде остается почти неизменным, стабильным. Поэтому для стабилитронов рабочим является участок пробоя на обратной ветви ВАХ, а напряжение пробоя (напряжение стабилизации) является одним из основных параметров.

Стабилитроны находят широкое применение в качестве источников опорного напряжения, в стабилизаторах напряжения, в качестве ограничителей напряжения и др.

Эксперимент

Оборудование

Оборудование, используемое в лабораторной работе: вритуальный лабораторный стенд, блок No 1 (схемы А1–А4); комбинированный прибор «Сура», мультиметры; соединительные провода.

Порядок выполнения работы

Изучить схемы включения полупроводниковых приборов А1–А4 (рис. 1.3–1.6) для снятия вольт-амперных характеристик ВАХ диода и стабилитрона.

Ознакомиться с устройством лабораторного стенда, найти на стенде блок №1 и схемы А1–А4.

Порядок выполнения задания №1 «Исследование полупроводникового диода»
Экспериментальное получение прямой ветви ВАХ диода (I_ <пр>= f(U_<пр>)) с использованием схемы A1, представленной на рис. 1.3.
  1. Установить напряжение источника питания на 5 В
  2. Выставить значение потенциометра (R1) на максимум.
  3. Включить установку
  4. Внимательно изучить схему

Рис. 1.3Рис. 1.3

Экспериментальное получение обратной ветви ВАХ диода (I_ <обр>= f(U_<обр>)) с использованием схемы А2, представленной на рис. 1.4.
  1. Установить напряжение блока питания 30 В.
  2. Выставить значение потенциометра (R2) на максимум
  3. Внимательно изучить схему установки

Рис. 1.4Рис. 1.4

По данным табл. 1.1 и 1.2 построить ВАХ диода.

По ВАХ или таблицам определить:
  1. Статическое сопротивление диода в прямом включении (R_<ст.пр>=frac>>) при U пр = 0,4 В и U пр = 0,1 В.
  2. Динамическое сопротивление диода в прямом включении (R_<дин.пр>=frac>>) на начальном участке ВАХ ( U пр =0 В и U пр = 0,1 В ) и на участке насыщения ВАХ ( U пр = 0,4 В и U пр = 0,45 В ).
  3. Статическое сопротивление диода в обратном включении (R_<ст.обр>=frac>>) при U обр = 5 В и U обр = 25 В.
  4. Динамическое сопротивление диода в обратном включении (R_<дин.обр>=frac>>) на начальном участке ВАХ ( U пр =0 В и U пр = 5 В ) и на участке насыщения ВАХ ( U пр = 20 В и U пр = 25 В ).
Порядок выполнения задания No2 «Исследование полупроводникового стабилитрона»
Экспериментальное получение прямой ветви ВАХ стабилитрона (I_ <пр>= f(U_<пр>)) с использованием схемы A3, представленной на рис. 1.5.
  1. Установить напряжение источника питания на 5 В
  2. Выставить значение потенциометра (R5) на максимум.
  3. Включить установку
  4. Внимательно изучить схему

Рис. 1.5Рис. 1.5

Экспериментальное получение обратной ветви ВАХ стабилитрона (I_ <обр>= f(U_<обр>)) с использованием схемы А4, представленной на рис. 1.6.
  1. Установить напряжение блока питания 30 В.
  2. Выставить значение потенциометра (R7) на максимум
  3. Внимательно изучить схему установки

Рис. 1.6Рис. 1.6

Плотность тока проводимости, смещения, насыщения: определение и формулы

В данной статье мы рассмотрим плотность тока и формулы для нахождения различных видов плотности тока: проводимости, смещения, насыщения.

Плотность тока – это векторная физическая величина, характеризующая насколько плотно друг к другу располагаются электрические заряды.

Плотность тока проводимости

Ток проводимости – это упорядоченное движение электрических зарядов, то есть обыкновенный электрический ток, который возникает в проводнике. В большинстве случаев, когда речь заходит о токе, имеют ввиду именно ток проводимости.

В данном случае плотность тока – это векторная характеристика тока равная отношению силы тока I в проводнике к площади S поперечного сечения проводника (перпендикулярному по отношению к направлению тока). Эта величина показывает насколько плотно заряды располагаются на всей площади поперечного сечения проводника. Она обозначается латинской буквой j. Модуль плотности электрического тока пропорционален электрическому заряду, который протекает за определенное время через определенную площадь сечения, расположенную перпендикулярно по отношению к его направлению.

Если рассмотреть идеализированной проводник, в котором электрический ток равномерно распределен по всему сечению проводника, то модуль плотности тока проводимости можно вычислить по следующей формуле:

j – Плотность тока [A/м 2 ]

I – Сила тока [A]

S – Площадь поперечного сечения проводника [м 2 ]

Исходя из этого мы можем представить силу тока I как поток вектора плотности тока j, проходящий через поперечное сечение проводникаS. То есть для вычисления силы тока, текущей через определенное поперечное сечение нужно проинтегрировать (сложить) произведения плотности тока в каждой точке проводника jn на площадь поверхности этой точки dS:

I – сила тока [А]

jn — составляющая вектора плотности тока в направлении течения тока (по оси OX) [A/м 2 ]

dS — элемент поверхности площади [м 2 ]

Исходя из предположения, что все заряженные частицы двигаются с одинаковым вектором скорости v, имеют одинаковые по величине заряды e и их концентрация n в каждой точке одинаковая, получаем, что плотность тока проводимости j равна:

j – плотность тока [А/м 2 ]

n – концентрация зарядов [м -3 ]

e – величина заряда [Кл]

v – скорость, с которой движутся частицы [м/с]

Плотность тока смещения

В классической электродинамике существует понятие тока смещения, который пропорционально равен быстроте изменения индукции электрического поля. Он не связан с перемещением каких-либо частиц поэтому, по сути, не является электрическим током. Несмотря на то, что природа этих токов разная, единица измерения плотности у них одинаковая — A/м 2 .

Ток смещения – это поток вектора быстроты изменения электрического поля ∂E/∂t через S — некоторую поверхность. Формула тока смещения выглядит так:

JD — ток смещения [А]

ε – электрическая постоянная, равная 8,85·10 -12 Кл 2 /(H·м 2 )

∂E/∂t — скорость изменения электрического поля [Н/(Кл·с)]

ds – площадь поверхности [м 2 ]

Плотность тока смещения определяется по следующей формуле:

jD — ток смещения [А/м 2 ]

ε – электрическая постоянная, равная 8,85·10 -12 Кл 2 /(H·м 2 )

∂E/∂t — скорость изменения электрического поля [Н/(Кл·с)]

∂D/∂t — скорость изменения вектора эл. индукции [Кл/м 2 ·с)]

Плотность тока насыщения

В физической электронике используют понятие плотности тока насыщения. Эта величина характеризует эмиссионную способность металла, из которого сделан катод, и зависит от его вида и температуры.

Плотность тока насыщения выражается формулой, которая была выведена на основе квантовой статистики Ричардсоном и Дешманом:

j – плотность тока насыщения[А/м 2 ]

R — среднее значение коэффициента отражения электронов от потенциального барьера

A — термоэлектрическая постоянная со значением 120,4 А/(K 2 ·см 2 )

T— температура [К]

— значение работы выхода из катода электронов [эВ], q – электронный заряд [Кл]

Шаг за шагом

Для каждого типа электронных ламп в справочных таблицах (листы 184-219) приводятся основные параметры — данные, характеризующие усилительные свойства лампы, а также ее типовые рекомендуемые режимы. К рекомендуемым режимам относится напряжение накала Uн и соответствующий этому напряжению накальный ток Iн. При одном и том же напряжении Uн накальная цепь лампы потребляет тем большую мощность, чем больше у нее ток накала (Рн = Uн x Iн). Если вы просмотрите справочные таблицы, то увидите, что так называемые выходные триоды, лучевые тетроды и пентоды, то есть лампы, которые должны развивать сравнительно большую мощность, потребляют большой накальный ток Iн.

На листах 184-219 указываются также рекомендуемые постоянные напряжения на аноде Uа и экранной сетке Uэ и соответствующие этим напряжениям токи Iа и Iэ. Здесь нужно сразу же отметить, что очень часто конструкторы не придерживаются рекомендуемых величин. Так, например, для большинства сетевых (подогревных) ламп рекомендуется анодное напряжение 250 в, а их почти всегда используют при более низком напряжении — вплоть до 150-100 в. При этом усилительные свойства ламп несколько ухудшаются, но с этим вполне можно мириться. При уменьшении напряжения на аноде Ua приходится пропорционально уменьшать и экранное напряжение. Одновременное этим уменьшаются и токи Iа и Iэ.

Для многих ламп в таблицах указывается и рекомендуемое постоянное напряжение на управляющей сетке, но об этой величине следует поговорить особо, и мы это сделаем в следующем разделе.

Одним из основных параметров усилительной лампы является ее крутизна, которая показывает, насколько сильно напряжение на управляющей сетке влияет на величину анодного тока (листы 112, 113). Крутизна обозначается буквой S и измеряется в миллиамперах на вольт (ма/в). Так, например, если S = 2 мa/в , то это значит, что при изменении управляющего напряжения (напряжение между сеткой и катодом) на 1 в анодный ток изменится на 2 ма. Для большинства ламп крутизна лежит в пределах от десятых долей до нескольких ма/в. Совершенно очевидно, что, чем больше крутизна лампы, тем сильнее управляющее напряжение влияет на анодный ток, тем, следовательно, лучше усилительные свойства лампы при прочих равных условиях.

Однако крутизна не полностью характеризует лампу: имеются еще два очень важных параметра — коэффициент усиления μ и внутреннее сопротивление Ri. Коэффициент μ показывает, какое максимальное усиление можно получить от лампы, то есть во сколько раз переменное напряжение на выходе каскада может быть больше, чем усиливаемое напряжение. Практически лампа может обеспечить меньшее усиление, чем об этом говорит коэффициент μ.

У многих ламп коэффициент усиления очень велик и у некоторых пентодов достигает нескольких тысяч. Имеются лампы и с очень небольшимμ (десятки и даже единицы). Но низкий коэффициент усиления не всегда следует относить к недостаткам лампы. Так, например, от выходных ламп не требуется большого μ . Основное, что требуется от этих ламп, — это возможность получить на выходе сигнал большой мощности (несколько ватт), даже если для этого придется подать на вход лампы весьма большое переменное напряжение (несколько вольт).

Прежде чем говорить о третьем основном параметре лампы — ее внутреннем сопротивлении Ri, вспомним, что если изменить напряжение на аноде лампы, то изменится ее анодный ток, то есть произойдет то же самое, что и в обычном сопротивлении: если изменить напряжение, которое подводится к какому-нибудь сопротивлению, то изменится и протекающий по нему ток. У большинства пентодов внутреннее сопротивление очень велико и достигает нескольких сот килоом, а иногда и нескольких мегом. У триодов и выходных ламп Ri намного меньше — оно не превышает нескольких десятков килоом, а иногда бывает и меньше одного килоома.

Величину внутреннего сопротивления приходится учитывать при выборе ламп для того или иного усилительного каскада. Так, например, если к аноду лампы подключен контур, то Ri этой лампы должно быть весьма большим — малое внутреннее сопротивление будет шунтировать контур, снижая его добротность Q (рис. 50, 51). Для выходных ламп величину Ri указывают не всегда, но обязательно приводят величину так называемого оптимального сопротивления нагрузки (Ra или Rопт), с которой мы встретимся позже. В наших таблицах обе величины даны в килоомах. Данные, приведенные на листах 184-219, позволяют судить об усилительных свойствах той или иной лампы, а также в случае необходимости решать вопрос о замене одного типа ламп другим.

Электрический ток в вакууме — причины появления, свойства и применение

Электрический ток в вакууме

Понятие вакуум сходно слову «пустота». В физике под ним понимают пространство, которое освобождено от любых веществ. Однако учёные считают, что такого места быть не может. Объясняют это они тем, что даже в самом пустом пространстве должны существовать флуктуации. Экспериментально это удалось доказать Генриху Казимиру, описавшему явление в своём конспекте.

Он предположил, что вакуум представляет собой «резервуар» в котором вблизи абсолютного нуля происходит ряд волнений. Его опыт состоял в следующем. Учёный взял две заряженные пластины и поместил их между вакуумным пространством. Под действием внешних фотонов проводники притягивались друг к другу. То есть через пространство проходила хотя и слабая, но сила.

Резервуар с вакуумом

Поэтому в физике существует особый термин — физический вакуум. Под ним понимают замкнутое пространство, в котором давление в несколько раз меньше по сравнению с газовой средой. То есть его величина не оказывает никакого влияния и ей можно пренебречь. Так как электричество образуется при перемещении элементарных носителей зарядов, которые в вакууме практически отсутствуют, при простом воздействии на среду его получить не удастся. Поэтому единственной возможностью пропустить ток через пустоту является добавление в неё заряженных частиц.

В 1879 году Эдисон, изучая причину перегорания нитей в лампах накаливания, обнаружил образование тёмного налёта около анодного вывода. Этот эффект изобретатель объяснял тем, что внутри колбы возникает разряд, вследствие которого заряженные частицы угольной пыли выбиваются с проводника. Он предположил, что если в лампу ввести дополнительный электрод с положительным зарядом, то эти частицы будут им притягиваться.

Так был открыт эффект термоэлектронной эмиссии. Другими словами, испускание заряженных частиц при нагреве проводника до температур 1500 — 2500 о С. При таких величинах электроны разрывают связи и высвобождаются. Это явление сродни испарению молекул с поверхности жидкости. Оно нашло своё применение в вакуумных электронных приборах. Например, используется в электронно-лучевых трубках, ламповых диодах.

Физика процесса

Электрический ток в вакууме может образовываться только направленным движением электронов. Ввести их, возможно, с помощью помещения в среду металла. Для того чтобы частицы покинули поверхность проводника нужно им отдать энергию. Этот процесс называется работой выхода электронов из вещества.

Её значение для разных материалов было установлено экспериментально. Так, для наиболее популярных веществ работа выхода равна:

  • вольфрама — 4,5 эВ;
  • кадмия — 2,2 эВ;
  • цинка — 4,2 эВ;
  • оксида бария — 1 эВ.

То есть для того чтобы извлечь электрон, нужно сообщить ему определённую энергию. Только тогда он сможет вылететь с поверхности. В обычном состоянии энергия электрона в металле составляет 3,2 KT (тепловая). При комнатной температуре (T = 300 K) KT = 0,026 эВ. Этой величины будет явно недостаточно, чтобы появилась электропроводность в вакууме.

Энергия электрона в металле

Если же нагреть тело до 3 тыс. градусов по кельвину (многие металлы начинают расплавляться), то KT = 0,26 эВ. Этого значения всё равно мало для того, чтобы выбить электроны. Но на самом деле носители имеют определённое распределение по энергиям. Найденное значение показывает среднюю величину. Поэтому в теле из-за высокой плотности заряженных частиц обязательно будут такие электроны, которые имеют энергию превышающую работу выхода.

Над поверхностью проводника появляется электронное облако. При этом чем выше температура, тем плотнее оно будет. Вылетевший электрон приводит к изменению заряда металла. В итоге он начинает втягиваться обратно. Устанавливается равновесие. Какое число электронов вылетает, такое же их количество возвращается.

Для того чтобы образовался поток зарядов нужно ввести вспомогательную цепь. Другими словами, сообщить электронам дополнительную энергию. Зависимость между током и напряжением в рассматриваемом случае не будет соответствовать закону Ома. Ведь образованное электронное облако задерживает вновь вылетающие электроны. Но если увеличить напряжение на другом выводе, то концентрация носителей в образованном поле уменьшится, значит, снизится и тормозящий эффект. Это приведёт к увеличению тока.

Таким образом, вылетающие электроны можно уподобить электра ракетам, преодолевшим земное притяжение. Если к выводу присоединить положительный электрод источника тока, то возникшее электромагнитное поле между спиралью и электродом внутри колбы с вакуумом, устремит к нему электроны. Внутри потечёт электрический ток.

Вакуумный диод

Вакуумный диод

Одним из типичных устройств, использующих проводимость безвоздушного пространства, является вакуумная двухэлектродная электронная лампа. Если на её положительный вывод подаётся обратное напряжение, то все испущенные катодом электроны возвращаются. При прямом же смещении носители зарядов устремляются к аноду. Другими словами, происходит выпрямление переменного сигнала. Устройство работает как диод.

Исследовать появление электрического тока в вакууме и газах можно с помощью радиоэлемента, состоящего из следующих частей:

  • запаянной колбы;
  • электрода из металла (анод);
  • вольфрамовой спирали (катод);
  • реостата.

Нить из вольфрама находится в герметичной колбе и подключена через реостат к генератору для регулировки силы тока. Электрод подключён к микроамперметру. С него цепь, проходя через балластный резистор, замыкается на катоде.

Реостатом можно регулировать температуру катода. Переменным сопротивлением устанавливается разность потенциалов между положительным и отрицательным выводом. Вольт-амперная характеристика, то есть зависимость анодного тока от напряжения будет формироваться следующим образом. Допустим, напряжения нет. Тогда электроны, вылетевшие из катода, притянутся обратно. Ток в цепи анода не течёт. Если на вывод подать отрицательный сигнал, то электроны будут отталкиваться. Ток снова не течёт.

Появление электрического тока в вакууме и газах

Когда на анод поступает положительное напряжение, то возникает электрическое поле. Оно создаёт силу, направленную в сторону анода. Скорость полёта электронов разная, так как некоторые из них отталкиваются от уже ранее вылетевших частиц. Чем больше будет напряжённость поля, тем сильнее начнёт протекать ток. Но изменение будет происходить не линейно. Например, если увеличить напряжение в два раза, то число электронов, вылетевших из катода, увеличится в больше раз, чем это число. Чем больше разность потенциалов, тем меньше пространственный заряд электронов.

На графике эта зависимость будет представлять полукубическую параболу. Описать её можно приблизительной формулой: I = U 3/2 . Если продолжить поднимать напряжение, то напряжённость становится намного больше поля, создаваемого пространственным облаком. Все электроны начнут добираться до анода. Сила тока уже не будет зависеть от напряжения. На ВАХ это изображается прямой линией, а эффект называется током насыщения.

Электронно-лучевая трубка

Электронно-лучевая трубка

В вакуумных радиолампах поток электронов направлен от анода к катоду во все стороны. Но можно создать такие конструкции, в которых электроны будут направлены в одном направлении. Создаётся такой поток с помощью специальных фокусирующих пластин. Его часто называют катодным лучом. С его помощью можно нагревать тела, например, в вакуумных печах.

По своей природе он обладает следующими свойствами:

  • на него действует электрическое и магнитное поле (сила Лоренца);
  • попадая на некоторые вещества, например, сернистый цинк, сфокусированный электронный поток приводит к интересному результату — свечению;
  • луч генерирует рентгеновское излучение.

На этих свойствах и базируется класс вакуумных приборов называемый электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ).

Устроено такое устройство следующим образом. Электроны в приборе образовываются с помощью термоэлектронной эмиссии. Катод прибора представляет собой цилиндр с плоским основанием, покрытым окисью бария. Этот электрод испускает электроны. Чтобы управлять их интенсивностью используется сетка. Подавая на неё напряжение, можно запирать поток или отпирать.

Главная деталь в определение электронного потока это его узкая направленность. Добиться этого можно, используя дополнительные анодные выводы. Один из них ускоряющий, а другой фокусирующий. Проходя через указанный набор ускоренный сфокусированный поток вылетает из ЭЛТ. На второй анод подаётся положительное напряжение напрямую, а на ускоряющий через реостат. Разность потенциалов кратна десяткам киловольт.

Схема электронно- лучевой трубки

Вылетев с пушки поток, попадает на экран, покрытый люминофором. Вся эта система находится в колбе с безвоздушным пространством. Для того чтобы можно было перемещать луч по поверхности экрана используют конденсаторы. В зависимости от расположения их пластин происходит отклонение потока. Вызывает его подающееся на обкладки напряжение. От его значения луч может притягиваться к одной стороне или другой, по сути, изменяя поток электрического тока в вакууме. Так, кратко, и работает ЭЛТ.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector