Электрический ток в вакууме

 

Содержание

 

 

Введение……….…………………………………………………………………

Электрический ток в вакууме…………………………………………………...

Двухэлектродная лампа …………………………………………………………

Характеристики и параметры вакуумного диода………………………………

Трех электродная лампа…………………………………………………………..

Расчетная часть …………………………………………………………………..

Литература ………………………………………………………………………..

.

 

 

                                                                  Введение

 

 

    Простейшей электронной  лампой является вакуумный диод. Он представляет собой вакуумированный баллон, обычно стеклянный, в котором находится два электрода – анод и катод. Катодом лампы служит проволочная спираль с двумя выводами для подключения к источнику тока либо цилиндр из тонкой фольги, внутри которого находится спиральная нить накала. Второй электрод – анод – представляет собой электрический диск, находящийся над катодом, либо цилиндр, на оси которого находится катод. При малом напряжении между электродами анода достигает лишь часть электронов. По мере увеличения анодного напряжения все большее число вылетающих электронов может преодолеть силы отталкивания и достигнуть анода. Сила тока увеличивается, и электронное облако постепенно рассасывается. Нужно вполне определенное напряжение, чтобы все электроны, вылетающие из катода, достигали анода. Дальнейшее увеличение напряжения уже не может вызывать роста силы тока: наступает насыщение. При высокой температуре нити накала (обычный режим работы лампы) эмиссия электронов велика и, следовательно, сила тока в цепи значительная. В этом случае можно заметить, что сила тока зависит от напряжения.

    Триод является прибором, у которого между анодом и  катодом помещена сетка, то есть  третий электрод, выполнен в виде  спирали, окружающий катод, или в  виде плетеной сетки, или, наконец, в виде ряда прутиков, расположенный параллельно катоду.  Трехэлектродные лампы являются основным типом электродных ламп. Они отличаются от диодов тем, что  имеют третий электрод – управляемую сетку, расположенную между катодом и анодом и служащую для управления анодным током. Сетка, как и другие электроды, имеет вывод наружу. Она обеспечивает широкие возможности управления электронным потоком, идущим от катода к аноду. Триоды, так же как  и диоды, обладают свойством односторонней проводимости и могут быть использованы для выпрямления переменного тока. Однако для этой цели их применять нецелесообразно, так как диоды  проще по конструкции и дешевле. Основное назначением лампы – усиление электрических сигналов. 

                                       Электрический ток в вакууме

Под вакуумом понимают такое  состояние газа в сосуде, при  котором   длина свободного пробега заряженных частиц превышает размеры сосуда. 

Вакуум – идеальный изолятор, так как в нём нет свободных носителей заряда. Для того чтобы через пространство, в котором создан  высокий вакуум, пошёл ток, нужно искусственно ввести в это пространство источник свободных зарядов. Это можно сделать с помощью термоэлектронной эмиссии, помещая в вакуум  металлическую проволоку, которую можно включать в электрическую цепь. При пропускании через нее электрического тока проволока нагревается, и свободные электроны металла приобретают энергию, достаточную для совершения работы выхода, и, покидая металл, образуют вблизи него электронное облако. Проволока при этом заряжается положительно, и под влиянием электрического поля электроны из облака частично возвращаются на электрод. В равновесном состоянии число электронов, покинувших электрод в секунду, равно числу электронов, возвратившихся на электрод за это время. Чем выше температура металла, тем выше плотность электронного облака.  

Для возникновения тока необходимо дополнительное условие – создание электрического поля, под действием которого электроны будут двигаться направленно.

Ток в вакууме представляет собой поток электронов. Различие между горячим и холодным электродами, впаянными в сосуд, приводят к односторонней проводимости электрического тока между ними. При подключении электродов к источнику тока между ними возникает электрическое поле. Если положительный полюс источника соединен с холодным электродом (анодом), а отрицательный – с нагретым (катодом), то напряженность электрического поля направленно к нагретому электроду. Под действием этого поля электроны частично покидают электронное облако и движутся к холодному электроду. Электрическая цепь замыкается, и в ней устанавливается электрический ток. При  противоположном включении источника напряженность поля направленно от катода к аноду. Электрическое поле отталкивает электроны облака назад к катоду. Цепь оказывается разомкнутой, и ток в цепи отсутствует. Следовательно, диод обладает односторонней проводимостью.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                               Двухэлектродная лампа 

 

Двухэлектродная лампа (диод) состоит из двух электродов — катода прямого или косвенного накала и анода. Анод двухэлектродной лампы имеет чаще всего цилиндрическую форму и изготавливается из специально обработанных металлов: никеля, стали или вольфрама. Катод или анод помещаются в стальной или стеклянный баллон, из которого выкачивается воздух. Так как при откачке воздуха из баллона трудно получить достаточный вакуум, то внутрь лампы помещается специальное вещество, которое при нагреве распыляется, поглощает остатки воздуха в баллоне и оседает на стенках баллона в виде темного или серебристого налета.

Для подключения лампы служат контактные штырьки, которые соединены с электродами.

При протекании тока накала по нити или подогревателю катода температура его увеличивается до определенного значения и вокруг катода создается электронное облако. Если анодная батарея включена так, как показано на рисунке, то под действием сил электрического поля электроны устремятся к аноду и в анодной цепи потечет ток от анода к катоду, так как направление тока принимается обратным направлению перемещения электронов.

Если же анодную батарею подключить плюсом на катод, а минусом к аноду, то в анодной цепи тока не будет, так как электрическое поле будет действовать на электроны с силой, направленной от анода к катоду. Таким образом, двухэлектродная лампа обладает односторонней проводимостью, т. е. проводит ток только в одном направлении — от анода к катоду. Поэтому диод часто называют вентилем, а его способное проводить ток только в одном направлении   получила название вентильного свойства.

Как мы далее увидим, ламповые диоды широко применяются для выпрямления переменного тока. Диод, предназначенный для этой цели, называется кенотроном.

Наша промышленность выпускает кенотроны различных конструкций и размеров для выпрямления переменного тока напряжением как до 1000 В, так и свыше 1000 В.

Полезно помнить, что каждый тип электронной лампы имеет маркировку, позволяющую судить о конструкции и назначении лампы. Марка электровакуумных ламп состоит из трех или четырех элементов.

 

Первый элемент лампы — цифровой — указывает (округленно) величину напряжения накала. Например, цифра 6 означает, что номинальное напряжение нити накала катода составляет 6,3 В. Второй элемент обозначения — буквенный. Он указывает тип и назначение лампы. Так, буква Д означает диод, Ц — кенотрон, а буква X — двойной диод (лампа, в баллоне которой смонтированы два диода). Третий элемент — это число, показывающее номер типа прибора, или, как часто говорят, номер заводской разработки. Четвертый, буквенный элемент, характеризует тип и конструкцию баллона лампы. Буква С обозначает стеклянный баллон, П — лампы пальчиковой серии (миниатюрные лампы со стеклянным баллоном диаметром от 19 до 22,5 мм). Если четвертый элемент в марке лампы отсутствует, то она имеет металлический баллон.

Например, марка 5Ц4С расшифровывается следующим образом: кенотрон в стеклянном баллоне с напряжением накала 5 В, тип 4; 6Ц10П: пальчиковый кенотрон с напряжением накала 6,3 В, тип 10.

 

Характеристика и параметры диода

 

Вольт - амперная характеристика диода представляет собой зависимость анодного тока 1а от величины анодного напряжения Uа. Для снятия характеристики двухэлектродной лампы собирается схема, приведенная на рис. 2, а. Напряжение накала диода регулируется переменным резистором r1, а анодное напряжение — потенциометром r2. Для измерения анодного напряжения и тока служат вольтметр и миллиамперметр.

Переменным резистором устанавливается напряжение накала определенной величины, например 2В, а подвижной контакт потенциометра r2  ставится в нижнее по схеме положение. В этом случае возле катода образуется электронное облако, но ток в анодной цепи практически равен нулю, так как между анодом и катодом нет разности потенциалов. На характеристике (рис. 2, б) это состояние схемы характеризуется точкой О в начале координат. При перемещении движка потенциометра r 2 будет увеличиваться разность потенциалов между анодом и катодом, и под действием электрического поля электроны, вылетевшие с катода, будут притягиваться анодом. Миллиамперметр покажет наличие тока в анодной цепи. При малых анодных напряжениях не все вылетевшие с катода электроны достигают анода, так как возле катода существует отрицательный пространственный заряд, который ослабляет притягивающее действие анода. Поэтому характеристика при малых анодных напряжениях имеет пологий участок ОА. С дальнейшим увеличением анодного напряжения действие пространственного заряда преодолевается электрическим полем между анодом и катодом и количество электронов, достигающих анода, увеличивается. При некотором значении анодного напряжения все электроны, вылетевшие с катода, попадут на анод. На характеристике этот процесс соответствует участку АБ. В дальнейшем рост анодного напряжения не приводит к значительному увеличению анодного тока, так как катод при данной температуре испускает только определенное количество электронов. Поэтому участок характеристики БВ почти горизонтален и характеризует ток насыщения диода.

Кроме анодного напряжения, на силу анодного тока влияет также величина напряжения накала: при большем напряжении по катоду течет больший ток, вследствие чего усиливается эмиссия катода и анодный ток возрастает. На рис. 2, б изображены характеристики диода при напряжении накала 2, 4 и 6 В.

Параметры — это численные величины, которые характеризуют свойства электронной лампы. Основными параметрами диода являются крутизна характеристики, внутреннее сопротивление, мощность, выделяемая на аноде, и наибольшее обратное напряжение.

1. Крутизна характеристики показывает, на сколько миллиампер изменится анодный ток при изменении анодного напряжения на 1 В. Крутизна характеристики S лампы определяется, как отношение изменения анодного тока к изменению анодного напряжения Uа:

.

2. Внутреннее сопротивление ri определяется по закону Ома и является величиной, обратной крутизне:

 или  .

Внутреннее сопротивление измеряется в Омах.

3.  Мощность, выделяемая на аноде. При работе лампы анод нагревается, и теплота рассеивается в окружающем пространстве. Если лампа перегружена, то анод получает большее количество теплоты, чем отдает в окружающее пространство, что может привести к выходу лампы из строя. Поэтому на аноде не должно выделяться тепловой энергии больше, чем допускает данная конструкция. Мощность Ра, выделяемая на аноде, подсчитывается по формуле

Ра = Ua Ia Вт,

где Ua — величина анодного напряжения, В; Ia — сила анодного тока, А.

4.  Наибольшее обратное напряжение. Этот параметр имеет особенно большое значение для кенотронов. При работе кенотрона анод может нагреваться до высокой температуры и служить источником вторичной эмиссии. А при работе выпрямителя полярность тока на аноде непрерывно изменяется и в момент, когда на аноде окажется минус, а на катоде плюс, может произойти пробой лампы, т. е. от катода к аноду потечет ток, что приведет к разрушению оксидного слоя катода. Поэтому для предотвращения пробоя анодное напряжение не должно превышать определенного значения, которое называется обратным напряжением и обозначается Uобр.

Характеристики и параметры электронных ламп берутся из соответствующих справочников, но могут быть установлены и экспериментальным путем.

 

Трехэлектродная лампа

 

В баллоне трех электродной лампы (триода) монтируются три электрода: катод, анод и управляющая сетка, расположенная между ними. Управляющая сетка обычно изготавливается из молибдена, вольфрама или их сплавов и имеет форму круглой или прямоугольной спирали. Для жесткости витки сетки привариваются к проволочным траверсам, которые подключаются к одному из контактных штырьков лампы.

Если управляющая сетка остается неподключенной и потенциал ее относительно катода равен нулю, то она не оказывает влияния на поток электронов и триод работает как двухэлектродная лампа. Подключим между сеткой и катодом источник постоянного тока, причем сетку соединим с минусом источника, а катод с плюсом. При этом на управляющей сетке относительно катода будет отрицательное напряжение, а так как она расположена близко к катоду, то ее отрицательный потенциал будет ослаблять притягивающее действие анода, и поток электронов будет ослабляться. Понятно, что от величины отрицательного потенциала сетки будет зависеть количество электронов, достигающих анода: чем больше отрицательное напряжение на   сетке,   тем   меньше электронов сможет попасть на анод, а если отрицательное напряжение сетки имеет достаточно большую величину, то ни один электрон не сможет пролететь сквозь сетку к аноду. В этом случае говорят, что лампа заперта. Если же переключить источник сеточного напряжения так, чтобы на сетке был положительный потенциал, то электрическое поле сетки усилит поле анода и будет помогать аноду притягивать электроны. Таким образом, управляющая сетка дает возможность регулировать поток электронов в лампе, т. е. изменять силу анодного тока.

При этом незначительные изменения, напряжения на сетке вызывают большие изменения анодного тока потому, что потенциал ее сильно влияет на поток электронов. Следует иметь в виду, что при положительных потенциалах на сетке электроны притягиваются не только анодом, но и витками сетки. В этом случае возникает сеточный ток, который является нежелательным. Поэтому в большинстве случаев триоды работают при отрицательных потенциалах сетки.