ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В ВАКУУМЕ. КАТОДЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМП

August 15, 2011 by admin Комментировать »

Электрон, открытый в самом конце прошлого века, до сих пор представляет собой объект научных исследований, которые откры­вают все новые и новые его свойства. Уже давно установлено, что электрон обладает отрицательным зарядом е = 1,6 • 10-19 к массой покоя т = 9 • 10-28 г1.

Представим себе пространство между двумя плоскими пластинами (электродами) в эвакуированном стеклянном баллоне (рис. 8-1). На­помним, что эвакуировать или создать вакуум в баллоне — значит откачать из него воздух специальными насосами; для химического поглощения газов, которые могут выделиться внутри баллона лампы при ее эксплуатации, служат поглотители (геттеры), например барий, распыляемый внутри баллона при изготовлении лампы и образую­щий налет на внутренней поверхности стекла.

Представим себе далее, что еще до откачки баллона к пластинам были подведены проводники, впаянные в стекло и служащие выво­дами от пластин наружу. Вне баллона к одному проводнику присое­динен положительный, а к дру­гому отрицательный полюс бата­реи. Тогда пластина, соединенная с «плюсом», приобретает название анод,  а соединенная с «мину­сом» — катод.

Пусть внутрь баллона из по­верхности катода вылетает элек­трон, имеющий пренебрежительно малую начальную скорость. Он по­падает под действие электриче­ского поля, которое на рис. 8-1 изображено в виде силовых линий, направленных от анода к катоду. Электрон притягивается к аноду с постоянной силой.

Легко вычислить эту силу. Если поле между анодом и като­дом считать однородным, то его напряженность

где d — расстояние между электродами. Но электрическое поле воз­действует на электрон с силой, равной (по закону Кулона) произве­дению его заряда на напряженность поля, т. е.

F = еЕ,

причем эта сила направлена навстречу полю. Электрон начнет движе­ние снизу вверх, приобретая ускорение, которое в соответствии со вторым законом Ньютона равно отношению силы к массе;

Движение окажется равномерно ускоренным; следовательно, при движении электрона будет возрастать его скорость и вместе с ней

1 При больших скоростях масса электрона возрастает, однако скорости, которых достигают электроны в электровакуумных приборах, значительно меньше скорости света, и в этих условиях массу электрона можно считать постоянной» кинетическая энергия, которая к концу пути приобретет значение

 

где v — скорость в конце пути d.

Энергия, приобретенная электроном при движении в ускоряю­щем поле, равна работе, которая затрачена электрическим полем, т. е. в конце концов батареей. Работа вычисляется как произведение силы на путь:

W = Fd — eEd = eU.

Приравняв энергию, израсходованную полем, к энергии, при­обретенной электроном, напишем основное уравнение движения электрона в электрическом поле:

 

откуда найдем скорость электрона в конце пути

 

Зная, что отношение заряда электрона к его массе в принятых нами условиях — величина постоянная, и выражая скорость в практиче­ских единицах (км/сек), получаем:

(8-1)

Так, если напряжение между электродами U = 100 в, то ско­рость электрона в конце пути окажется 6 000 км/сек, что, как мы ви­дим, гораздо ниже скорости света (300 000 км/сек).

Легко определить и время пролета электрона от катода до анода, зная расстояние d между ними. Известно, что средняя скорость рав­номерно ускоренного движения vср = v/2. Поэтому время t = d/vcp. Например, если в указанном выше случае d = 1 см (т. е. 10-5 км), то время пролета окажется t = 2d/v ~= 2 • 10-6/6 • 108 = 1/3 • 10-8 сек, т. е. приблизительно 0,003 мксек. Это время оказалось равным периоду радиоволны длиной в 1 м.

Итак, поле, которое ускоряет движение электрона, совершает работу, увеличивающую кинетическую энергию электрона. При ударе о поверхность анода кинетическая энергия электрона пре­вращается в тепловую: удары электронов нагревают анод.

Рассмотрим второй случай движения электрона в том же баллоне. Допустим, что электрон, находившийся вблизи от поверхности анода, получил толчок в направлении к катоду. Начальная скорость элек­трона оказалась направленной навстречу действующей на него элек­трической силе. Тогда поле окажется не ускоряющим, а тормозящим движение электрона; электрон будет двигаться равномерно замед­ленно. Энергия, которую приобрел электрон в момент начального толчка, будет расходоваться при его движении в тормозящем поле: электрон в этом случае отдает энергию электрическому полю. Возмо­жен и такой случай: не достигнув катода, электрон израсходует всю свою энергию, остановится, а затем начнет двигаться обратно к аноду, равномерно ускоряясь.

Третий характерный случай — толчок, сообщенный электрону в направлении, поперечном к полю. Движение окажется непрямоли­нейным: электрон уклонится от поперечного пути в направлении к аноду, причем степень отклонения будет зависеть как от начальной скорости электрона, так и от нарряжениости электрического поля = U/d).

Таковы простейшие случаи пзлимодействия между электроном и электрическим полем, Взаимодействие всегда проявляется в изме­нении скорости электрона н в обмене энергией между электроном и полем, созданным анодной батареей. В ускоряющем поле электрон приобретает энергию от батареи, а п тормозящем поле он отдает энер­гию батарее. Если бы электрон двигался не в вакууме, а в простран­стве, заполненном газом, то описанные нами процессы нарушились бы из-за столкновений электрона с молекулами газа. О взаимодейст­вии же электрона с магнитным полем будет сказано ниже.

Теперь представим себе, что вблизи от катода электроны появ­ляются непрерывно и под действием электрического поля движутся к аноду. Тогда в вакууме и в цепи батареи установится электрический ток, величина которого определится числом электронов, долетающих до анода за секунду. Так, если за секунду через баллон пролетает приблизительно 7 • 1012 электронов, то ток составит 1 мка. Направ­ление тока до сих пор принято указывать обратным направлению движения электронов.

Можно создать условия установления и поддержания тока в ва­куумном приборе, выбрав катод, который обладает свойствами эмис­сии (высылки) электронов со своей поверхности. Такой катод можно назвать «эмиттером» (высылающим электроны); анод же можно назвать «коллектором» (собирающим электроны). Впрочем, наименования «эмиттер» и «коллектор» чаще применяются в полупроводниковых приборах.

Для того чтобы создать заметный ток в вакууме, воздействие на катод одного напряжения оказывается недостаточным, так как элек­троны могут свободно выходить из металла катода за его поверх­ность. Дело в том, что атомы металла, от которых отделились элек­троны, становятся положительными ионами; они притягивают внутрь металла каждый электрон, выходящий за поверхность. Лишь при достаточно большой начальной скорости вылета электрон способен оторваться от металла. Эмиссия электронов с поверхности катода мо­жет значительно повыситься, если электронам в металле сообщить дополнительную энергию.

Имеются три практически используемых способа повышения энергии электронов в проводнике: нагревание, создающее термо­электронную эмиссию; облучение поверхности проаод-ника светом, создающее фотоэлектронную эмиссию; бомбардировка поверхности проводника извне электронами, имею­щими большую скорость и создающими вторичную элек­тронную эмиссию. В большинстве типов радиоламп исполь­зуется термоэлектронная эмиссия. Катод нагревается электрическим током, как нить в лампе накаливания; именно поэтому электроваку­умные приборы и называются лампами. Для нагревания катода дол­жен быть самостоятельный источник тока.

Повышение температуры металла увеличивает среднюю энергию движения электронов во всей массе металла, и значительное число электронов приобретает скорость, достаточную для выхода в окружающее пространство. Чистые металлы дают заметную эмиссию лишь при температурах в несколько тысяч градусов. Такой нагрев выдер­живают тугоплавкие металлы, например вольфрам, который широко применяется для катодов радиоламп.

В качестве простейшего примера радиолампы (электровакуум­ного прибора с термоэлектронной эмиссией) рассмотрим диод (лампу с двумя электродами), применяемый для выпрямления пере­менного тока, детектирования и выполнения других функций в ра­диоаппаратуре.

В стеклянном эвакуированном баллоне (рис. 8-2, а) укреплены два электрода — анод и катод. Анод выполнен в этом примере в виде металлического цилиндра, расположенного горизонтально и имею­щего вывод вверх сквозь стекло. Цилиндрическая форма удобнее, чем плоская, в смысле охвата катода; но возможны и иные формы.

Рис. 8-2. Устройство и включение диода.

а — простейшая конструкция диода; б — диод в схеме?

в — регулировка накала.

Катод в виде нити накала, проходящий по оси цилиндра, имеет два вывода, подключаемые к батарее накала. Электроды лампы принято обозначать на схемах, как показано на рис. 8-2, б.

Оба вывода катода (нити накала) подключаются к самостоятель­ной батарее накала Бн. Ток этой батареи, проходящий по нити, нагре­вает ее до температуры, при которой достигается достаточная эмис­сия электронов. В случае необходимости устанавливать точно задан­ную температуру нити к ее зажимам подключают вольтметр накала V и реостат R (в соответствии со схемой на рис. 8-2, в).

Между анодом и одним из зажимов катода включена анодная батарея Ба с соблюдением полярности, обеспечивающей притяжение электронов к аноду. Анодный ток измеряется миллиамперметром mA, включенным в цепь анода; величина тока равна сумме зарядов элек­тронов, достигающих анода в течение секунды. Цепь анодного тока идет от плюса анодной батареи Бa к аноду, затем от анода до катода в эвакуированном пространстве, далее по катоду до общей точки О батарей и к минусу батареи Ба (рис. 8-2, б). Направление анодного тока Iа показано обратным направлению движения электронов.

Если бы полярность анодной батареи мы изменили и анод ока­зался по отношению к катоду отрицательным, то электрическое поле стало бы не .ускоряющим, а тормозящим и движение электроновк аноду прекратилось бы. Это и дает возможность применять диод как выпрямитель переменного тока.

Обратимся к устройству катодов. Для каждого металла, в том числе и для вольфрама, при допустимой температуре эмиттируется определенное (в среднем) число электронов с квадратного милли­метра. Следовательно, размеры катода должны быть такими, чтобы с его поверхности был получен требуемый ток эмиссии. Чем больший анодный ток хотим мы получить, тем большие размеры должен иметь катод; соответственно приходится затрачивать ббльшую мощность на его нагревание (необходимая, но не полезная затрата мощности).

Чистый вольфрам в этом отношении неэкономичен. Его прихо­дится нагревать до такой температуры (не менее 2 200° С), при кото­рой металл испаряется и катод служит недолго (в среднем до 1 000 ч). Лишь в очень мощных лампах перегоревшие вольфрамовые катоды можно заменять, и они там находят применение.

Чтобы снизить рабочую температуру катода, сохранив хорошую эмиссию электронов, необходимо облегчить выход электронов из металла. С этой целью катод покрывают слоем другого металла тол­щиной в один атом. Контактная разность потенциалов двух металлов частично компенсирует тормозящее действие поверхности основного металла и содействует вылету электронов. Поэтому покрытие катода называют его активацией.

Среди активирующих покрытий можно указать торий, которым покрывается специально обработанная углеродом (карбидированная) поверхность вольфрамовой нити. Торированные карбидированные катоды имеют рабочую температуру не выше 1 700° С (желтое кале­ние) и применяются чаще всего в лампах для радиопередатчиков сред­ней мощности. Лампа с таким катодом может выйти из строя не в ре­зультате перегорания нити, а вследствие разрушения активирующего покрытия; в таких случаях говорят, что лампа «теряет эмиссию».

Другим активирующим покрытием могут быть окислы (оксиды) металлов бария или стронция, которые наносятся не на вольфрам, а на никель. Активирующий слой металла выделяется из оксидов при термической обработке катода. Оксидные катоды работают при температуре около 800° С (вишнево-красное каление). Они имеют запас активирующего металла в окислах и потому менее чувстви­тельны к перекалу и более долговечны (5 000 ч и более). Кроме того, они способны отдать повышенную эмиссию при кратковременных вклю­чениях напряжений (импульсная работа).

Однако все эти катоды непосредственного (прямого) накала почти не встречаются в радиовещательной приемно-усилительной аппаратуре, питаемой от сети переменного тока. Дело в том, что если нить прямого накала питать переменным током, то общая точка О (см. рис. 8-2, б) попеременно оказывается под положительным и от­рицательным потенциалом относительно середины нити, а потому изменяется (пульсирует) и анодное напряжение, чем может создаться низкочастотный звук (фон) в громкоговорителе приемника.

Гораздо более широко в радиоприемной и телевизионной аппа­ратуре применяются лампы с катодами, которые питаются перемен­ным током, но имеют неизменный потенциал по отношению к аноду (эквипотенциальные катоды). В них нить накала не предназначена для эмиссии; она лишь нагревает сквозь изоляцию отделенный от нее катод. Такие катоды называются подогревными или катодами косвенногонакала.

 

Рис. 8-3. Устройство ка­тода косвенно­го накала.

Эскиз катода косвенного накала (с вырезом части стенки) изобра­жен на рис. 8-3. Собственно катод представляет собой металлическую трубку 1, на поверхность которой нанесен слой оксидов 2, содержа­щих барий. Внутри трубки помещена свернутая петля нити накала 3, покрытая теплостойким слоем алунда 4 (изоляцион­ный материал на основе окиси алюминия). Могут встречаться и такие конструкции подогревных като­дов, в которых подогреватель выполнен в виде пло­ской спирали, а катод представляет собой плоский цилиндр, закрытый с одного торца оксидированным дном.

На рис. 8-4 дана схема цепей диода с катодом косвенного накала, причем указано питание цепи накала переменным током. Иногда в отличие от этого рисунка катод соединяется с одним из концов нити; однако всегда цепь накала и анодная цепь отде­лены одна от другой, т. е. не имеют общего участка. Следовательно, переменное напряжение накала не воздействует на анод. Вместе с тем массивный подогревный катод, обладающий тепловой инерцией, обеспечивает постоянство своей средней температуры при переменном токе накала.

 

Естественно, что при нагреве катода нитью через изоляцию экономичность накала уменьшается. При питании от сети переменного тока вопрос эко­номичности накала не ставится столь остро, как при батарейном питании переносной аппаратуры. После включения массивные катоды «подогревных» ламп требуют несколько секунд на разогрев до нормальной (эмиссионной) температуры. В схемах, не имеющих соединения катода с нитью, иногда приходится создавать напряжение между ними; это напряжение не должно превышать сотни вольт, так как при больших значениях может произойти пробой алундовой изоляции.

Лампы косвенного накала с хорошо отра­ботанной технологией производства имеют срок службы 5 000 ч и более.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты