Электрический ток в вакууме, его применение в радарах. — Студопедия.Нет

Вакуумом называют разряженный газ, концентрация молекул в котором так мала, что они не сталкиваются друг с другом. Поэтому вакуум является идеальным изолятором. Однако, если внести в вакуум свободные заряженные частицы, например, электроны, то он становится проводником тока. При этом движением свободных зарядов в вакууме легко управлять, т.к. они не сталкиваются с молекулами разряженного газа. Приборы, в которых электрический ток проходит через вакуум, называют электровакуумными.

Источником заряженных частиц для вакуума может быть поверхность металла, нагретого до высоких температур (1500-2500 ^оС). При таких температурах часть свободных электронов металла обладает энергией, достаточной для того, чтобы разорвать все имеющиеся связи и покинуть поверхность металла. Это явление, напоминающее испарение молекул с поверхности жидкости, называют термоэлектронной эмиссий.

Простейшим электровакуумным прибором является вакуумный диод

— устройство, пропускающее ток только в одном направлении. Обычно, вакуумный диод – это стеклянная лампа (1), внутри которой создан вакуум (рис. 45а) и находятся вольфрамовая нить (2, катод) и металлический цилиндр (3, анод). Чтобы нагреть вольфрамовую нить диода, через неё пропускают ток, и в результате термоэлектронной эмиссии рядом с раскалённой нитью появляется облако электронов. Поэтому, если диод подключить к источнику тока, соединив нить (2) с его отрицательным полюсом, а цилиндр (3) – с положительным (рис. 45а), то электроны из облака вокруг нити будут двигаться к цилиндру, и через диод пойдёт ток. Противоположное подключение – нить к плюсу источника тока, а цилиндр – к его минусу, не вызовет тока, т.к. поле внутри диода будет отталкивать электроны от цилиндра. Таким образом, в вакуумном диоде электроны могут двигаться только в одном направлении – от горячего катода к холодному аноду. Вакуумные диоды используются для преобразования переменного тока в постоянный.

Электрическое поле может не только вызывать движение заряженных частиц в вакууме, как это происходит в диоде, но и изменять траекторию этого движения. На рис. 45б показано, как изменяется, загибаясь вправо, траектория движения электрона пролетающего между пластинами заряженного плоского конденсатора. Таким образом, пролетая между пластинами конденсаторов, электроны могут менять свои траектории в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Так как электроны в вакууме не испытывают никаких столкновений, их скорость в электровакуумных приборах может достигать очень больших значений. Легко посчитать, что в вакуумном диоде, между анодом и катодом которого приложено напряжение 100 В, электроны разгоняются до 6^.10⁶ м/с, что в миллиарды раз больше, чем скорость их упорядоченного движения в металлах. При торможении электронов их кинетическая энергия может переходить в энергию излучения (например, рентгеновского), тепловую и другие формы энергии.

Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), или кинескоп является самым важным элементом в большинстве телевизоров и компьютерных мониторов. ЭЛТ состоит из стеклянной колбы (

1, на рис. 45в), внутри которой находится вакуум. Один из концов колбы узкий и длинный, а другой — широкий и достаточно плоский — экран (2). Внутренняя стеклянная поверхность экрана покрыта люминофором, веществом, которое при бомбардировке электронами испускает свет. В качестве люминофоров для цветных ЭЛТ используются довольно сложные составы на основе редкоземельных металлов — иттрия, эрбия и т. п. Для создания изображения в ЭЛТ используется электронная пушка, из катода (3) которой под действием сильного электростатического поля исходит поток (луч) электронов (4). Отклонение электронного луча в вертикальной и горизонтальной плоскости, а также его фокусировка происходит посредством специальной отклоняющей системы ( 5), создающей необходимую комбинацию электрических и магнитных полей.

Разряд в газах, типы разрядов и их применение.

Га́зовыйразря́д — совокупность процессов, возникающих при протекании электрического тока через вещество, находящееся в газообразном состоянии. Обычно протекание тока становится возможным только после достаточной ионизации газа и образования плазмы. Ионизация происходит за счёт столкновений электронов, ускорившихся в электромагнитном поле, с атомами газа. При этом возникает лавинное увеличение числа заряженных частиц, поскольку в процессе ионизации образуются новые электроны, которые тоже после ускорения начинают участвовать в соударениях с атомами, вызывая их ионизацию. Для возникновения и поддержания газового разряда требуется существование электрического поля, так как плазма может существовать только если электроны приобретают во внешнем поле энергию, достаточную для ионизации атомов, и количество образованных ионов превышает число рекомбинировавших ионов.

Если для существования газового разряда необходима дополнительная ионизация за счёт внешних источников (например, при помощи ионизирующих излучений), то газовый разряд называется несамостоятельным (такие разряды используются в счётчиках Гейгера).

Для осуществления газового разряда применяют как постоянные во времени, так и переменные электрические поля.

Применение:

· Дуговой разряд для сварки и освещения.

· Сверхвысокочастотный разряд

· Тлеющий разряд как источник света в люминесцентных лампах и плазменных экранах.

· Искровой разряд для зажигания рабочей смеси в двигателях внутреннего сгорания.

· Коронный разряд для очистки газов от пыли и других загрязнений, для диагностики состояния конструкций.

· Плазмотроны для резки и сварки.

· Разряды для накачки лазеров, например гелий-неонового лазера, азотного лазера, эксимерных лазеров и т. д.

А также

· в счётчике Гейгера,

· в ионизационных вакуумметрах,

· в тиратронах,

· в крайтронах,

· в гейслеровой трубке.

носитель заряда, термоэлектронная эмиссия, применение эффекта

Направленное движение электронов под действием собирающей их силы называют электрическим током. Вакуум — это пространство, состоящее из газа, давление которого ниже атмосферного. По сути, это диэлектрик, но существует условие, при котором даже в нём может появиться ток. Вызывается он эмиссией, явлением, широко используемым в ламповой электронике.

Основные понятия

С первого взгляда кажется, что ток и вакуум — это несовместимые понятия. Ведь в диэлектрике упорядоченное движение зарядов невозможно. Но на самом деле это не совсем так. Чтобы понять, почему же возникает проводимость в вакууме нужно изучить природу возникновения тока и что представляет собой газовое пространство с давлением ниже атмосферного.

В любом теле существуют частицы. Они могут находиться в свободном состоянии или быть привязаны к атому. Те и другие обладают определённым зарядом. Первые хаотично передвигаются в теле, компенсируя перемещение зарядов. Но если к материалу приложить силу, которая заставит носителей заряда двигаться в одном направлении, то возникнет электрический ток.

Его сила определяется количеством частиц прошедших через поперечное сечение тела за единицу времени. Измеряется она в амперах.

Носителями зарядов могут быть:

• протоны;
• ионы;
• электроны;
• дырки.

Любое физическое тело состоит из молекул. Формируют их атомы, вокруг которых вращаются электроны. При химической реакции или внешнем воздействии электромагнитных полей происходит перемещение электронов. Они выбиваются или притягиваются другим телом, испытывающим недостаток в элементарных частицах. В результате возникает ток. Его направление совпадает с напряжённостью поля, формирующего движение частиц и создающего электричество.

Вакуум по определению представляет собой пространство, в котором нет вещества. Физики им называют среду, заполненную газом давление, которого меньше атмосферного. Воздух состоит из молекул, которые, двигаясь хаотично, сталкиваются друг с другом и различными препятствиями. Расстояние, которое молекула преодолевает после удара, называют длиной свободного пробега.

Если воздух заключить в сосуд и из него выкачивать воздух, то наступит такой момент, при котором молекулы не будут испытывать столкновение. То есть их свободный пробег будет определяться размерами ёмкости. Таким образом, хоть в сосуде и создался вакуум, некоторое количество молекул в среде останется.

Откачать же все частицы практически невозможно. Может только образоваться так называемый глубокий вакуум, в котором частичка практически не встречает сопротивление движению.

Отсюда следует, что при меньших размерах сосуда вакуум создаётся при большем давлении газа, чем в большой замкнутой ёмкости.

Возникновение тока в вакууме

В газах электрический ток может возникнуть при разряде. Называют его кратковременным. Чтобы он мог поддерживаться необходимо воздействие электрической силы и присутствие носителей заряда. Поле создаёт тела, отличающиеся по знаку заряда. Молекулы в обычной среде — изоляторы. Но если изменить условия они становятся проводниками. При увеличении температуры или воздействии радиации происходит ионизация.

Это эндотермический процесс, при котором из нейтронов или молекул появляются ионы. С физической точки зрения, для этого необходимо получение частицей энергии достаточной, чтобы преодолеть потенциальный барьер. Появление свободных частиц при нагревании среды называют термоэлектронной эмиссией. При ней электроны покидают металл, называют их термоэлектронами.

Это явление можно наблюдать при опыте. Впервые его провёл Томас Эдисон. Заключался он в следующем. Две пластины располагались в вакуумной камере. Их наружно соединяли между собой токопроводящей шиной. В разрыв подключали электрометр. В обычном состоянии стрелка прибора показывала ноль. Как только одну из пластин нагревали, стрелка отклонялась.

Физики объяснили это явление, проведя аналогию с испарением воды. Как при нагреве воды испускаются её молекулы, так и разогретый металл излучает электроны. В результате проявляется электронное облако.

Для того чтобы появилась электропроводность, создаётся пучок электронов. Чтобы появился направленный пучок, в металле к которому идут разогнанные электроны, делают отверстие.

Для термоэлектронного тока существует такое понятие, как сила насыщения. Определяется она максимальным значением. При этом все электроны, излучающиеся с поверхности, попадают в облако и достигают противоположной пластины — анода. Плотность насыщения находится по формуле Ричардсона — Дэшмана, полученной на основе квантовой статистики: jн = C * T * 2 * e-^A/(kT). Здесь A — работа выхода, T — температура нагрева, С — справочная величина.

Следует отметить, что с ростом температуры число носителей зарядов, кинетическая энергия теплового движения которых больше работы выхода, растёт, а процесс термоэлектронной эмиссии проявляется заметнее.

Применение явления

Термоэлектронная эмиссия нашла широкое применение при производстве различных электронных приборов. В частности, эффект возникновения тока используется в электронных лампах и микроскопах, рентгеновских установках. Применяется он и в радиотехнике, автоматике, телемеханике, в приборах, предназначенных для выпрямления, усиления, генерирования сигналов. Простейшим устройством является двухэлектродный вакуумный диод. В его состав входит:

• баллон с откаченным газом;
• анод — проводящая пластина;
• катод — излучающий электрод.

Давление в вакууме составляет 10^-6—10^-7 миллиметров ртутного столба. Катод выполняется в виде нити накала, а анод — петли. Излучающий электрод изготавливается из металлического цилиндра, покрытого слоем оксидированного щёлочноземельного металла.

Изготовление термокатода позволило создать электронно-лучевую трубку, работающую на принципе протекания электрического тока в вакууме. Кратко работу ЭЛТ можно описать следующим образом. На электронную пушку (катод) подаётся напряжение, она разогревается и начинает испускать электроны. На противоположной стороне находится анод, притягивающий заряд. Электроны фокусируются линзой, и сформированный пучок с помощью отклоняющих пластин направляется на экран.

Вакуумные диоды, в отличие от полупроводниковых не имеют обратного тока. Если их подключить в неправильной полярности, то ток идти не будет, в то время как у кремниевых или германиевых он, хоть и небольшой, присутствует. При этом «электра» приборы, работающие на термоэлектронной эмиссии, выигрывают у своих полупроводниковых аналогов в скорости. Под действием ускорения электроны достигают ускорения порядка шести тысяч километров в секунду.

Если катод нагреть до определённой температуры и поддерживать её постоянной, то вольт-амперная характеристика будет нелинейной. Следовательно, закон Ома работать не будет. Правило, описывающее зависимость анодного тока от напряжения, при малых значениях потенциала называется законом трёх вторых.

Согласно ему ток равен: I = B * U3/2. Причём B, параметр, который зависит от размеров электродов и их расположения относительно друг друга.

Решение задач

В школьных конспектах и рефератах можно встретить задания, связанные с появлением тока в вакууме. Эти задачи позволяют школьникам старших классов закрепить пройденный материал и понять практическое применение эффекта.

Вот три из них, рассчитаны на учеников десятого класса:

1. Объяснить причину уменьшения напряжения при увеличении силы тока во время возникновения дугового разряда. Для утверждения верности сказанного нужно рассуждать так. При возрастании силы тока увеличивается термоэлектронная эмиссия с катодного вывода. В результате количество носителей заряда увеличивается. В свою очередь, это приводит к уменьшению сопротивления участка между электродами. Снижение сопротивления происходит быстрее по сравнению с увеличением силы тока. То есть в вакууме нарушается линейность, установленная законом Ома, а значит и напряжение уменьшается.
2. Какими заряженными частицами создаётся ток в вакууме? Так как вакуум является диэлектриком, то он не содержит частицы, которые могли бы проводить электричество. Для возникновения тока необходимо введение в среду дополнительного материала способного испускать заряды. При нагревании происходит эмиссия электронов с поверхности. Поэтому только электроны способны участвовать в переносе заряда.
3. Доказать, что при упругом столкновении молекулы и электрона энергии передаётся меньше, чем при неупругом. Так как при прямолинейном ударе справедлив закон сохранения энергии, то верным будут равенства: mV² / 2 = mV² э / 2 + mV²м / 2; mV² = mV²э + mV²м, где m — массы частиц, а v — их скорости, полученные после удара. Эти уравнения можно свести в систему и решить их относительно Vэ и Vм. В итоге получится равенство: Vм = (2 * m * V) / (mэ + mм). Отсюда можно сделать выводы:

• Энергия, полученная молекулой , будет равна: W = mV²м / 2 = (mV² / 2) * ((4 m * m э) / (m э+ m))². Учитывая, что me значительно меньше m, то массой электрона можно пренебречь. Поэтому W = (4mэ * mэ * V² ) / m * 2. Из этого следует, что молекуле передаётся небольшая часть энергии.
• При неупругом столкновении действует закон сохранения импульса. Электрон отдаёт весь заряд: w = mV2 / 2.

Таким образом, движение электронов в вакууме, по сути, является разновидностью электрического тока. Получить его, возможно, лишь поместив в среду нагреваемый катод. Именно он и будет источником испускания электронов.

Поле, возникшее между катодом и анодом, сообщит частицам скорость и определит их направление.

13.2. Термоэлектронная эмиссия. Электрический ток в вакууме.

Если сообщить электронам в металлах энергию, необходимую для преодоления работы выхода, то часть электронов может покинуть металл, в результате чего на­блюдается явление испускания электро­нов, или электронной эмиссии. В зависи­мости от способа сообщения электронам энергии различают термоэлектронную, фо­тоэлектронную, вторичную электронную и автоэлектронную эмиссии.

1. Термоэлектронная эмиссия — это испускание электронов нагретыми метал­лами. Концентрация свободных электро­нов в металлах достаточно высока, поэто­му даже при средних температурах вслед­ствие распределения электронов по скоро­стям (по энергии) некоторые электроны обладают энергией, достаточной для прео­доления потенциального барьера на гра­нице металла. С повышением температуры число электронов, кинетическая энергия теплового движения которых больше ра­боты выхода, растет, и явление термоэлек­тронной эмиссии становится заметным.

Исследование закономерностей термо­электронной эмиссии можно провести с по­мощью простейшей двухэлектродной лам­пы — вакуумного диода, представляюще­го собой откачанный баллон, содержащий два электрода: катод К и анод А. В про­стейшем случае катодом служит нить из тугоплавкого металла (например, воль­фрама), накаливаемая электрическим то­ком. Анод чаще всего имеет форму ме­таллического цилиндра, окружающего ка­тод. Если диод включить в цепь, как это показано на рис. 13.1, то при накаливании катода и подаче на анод положительного напряжения (относительно катода) в анодной цепи диода возникает ток. Если поменять полярность батареи Б_а, то ток прекращается, как бы сильно катод ни накаливали. Следовательно, катод ис­пускает отрицательные частицы — элек­троны. Если поддерживать температуру на­каленного катода постоянной и снять за­висимость анодного тока I_а от анодного напряжения U_a — вольт-амперную харак­теристику (рис.13.2), то оказывается, что она не является линейной, т. е. для ваку­умного диода закон Ома не выполняется. Зависимость термоэлектронного тока I от анодного напряжения в области малых положительных значений U описывается законом трех вторых (установлен русским физиком С. А. Богуславским (1883— 1923) и американским физиком И. Ленгмюром (1881 — 1957)):

I=BU^3/2,

где В — коэффициент, зависящий от фор­мы и размеров электродов, а также их взаимного расположения.

При увеличении анодного напряжения ток возрастает до некоторого

максималь­ного значения I_нас, называемого током на­сыщения. Это означает, что почти все электроны, покидающие катод, достигают анода, поэтому дальнейшее увеличение на­пряженности поля не может привести к увеличению термоэлектронного тока. Следовательно, плотность тока насыщения характеризует эмиссионную способность материала катода.

Плотность тока насыщения определя­ется формулой Ричардсона — Дешмана, выведенной теоретически на основе кван­товой статистики:

j_нас=CT²e^—A/(kT).

где А — работа выхода электронов из ка­тода, Т — термодинамическая температу­ра, С — постоянная, теоретически одина­ковая для всех металлов. На рис.13.2 представлены вольт-ам­перные характеристики для двух темпера­тур катода: T₁ и Т₂, причем T₂>T₁. С по­вышением температуры катода испуска­ние электронов с катода интенсивнее, при этом увеличивается и ток насыщения. При U_a=0 наблюдается анодный ток, т. е. некоторые электроны, эмиттируемые катодом, обладают энергией, достаточной для преодоления работы выхода и дости­жения анода без приложения электриче­ского поля.

Явление термоэлектронной эмиссии ис­пользуется в приборах, в которых необхо­димо получить поток электронов в вакуу­ме, например в электронных лампах, рен­тгеновских трубках, электронных микро­скопах и т. д. Электронные лампы широко применяются в электро- и радиотехнике, автоматике и телемеханике для выпрямле­ния переменных токов, усиления электри­ческих сигналов и переменных токов, гене­рирования электромагнитных колебаний и т. д. В зависимости от назначения в лампах используются дополнительные управляющие электроды.

2. Фотоэлектронная эмиссия — это эмиссия электронов из металла под действием света, а также коротковол­нового электромагнитного излучения (например, рентгеновского). Основные закономерности этого явления будут разобраны при рассмотрении фотоэлек­трического эффекта.

3. Вторичная электронная эмиссия — это испускание электронов поверхностью металлов, полупроводников или диэлек­триков при бомбардировке их пучком электронов. Вторичный электронный поток состоит из электронов, отраженных повер­хностью (упруго и неупруго отраженные электроны), и «истинно» вторичных элек­тронов — электронов, выбитых из металла, полупроводника или диэлектрика первич­ными электронами.

Отношение числа вторичных электро­нов n₂ к числу первичных п₁, вызвавших эмиссию, называется коэффициентом вто­ричной электронной эмиссии:

=n₂/n₁.

Он зависит от природы мате­риала поверхности, энергии бомбардиру­ющих частиц и их угла падения на поверх­ность. У полупроводников и диэлектриков его значение больше, чем у металлов. Это объясняется тем, что в металлах, где концентрация электронов проводимости велика, вторич­ные электроны, часто сталкиваясь с ними, теряют свою энергию и не могут выйти из металла. В полупроводниках и диэлектри­ках же из-за малой концентрации элек­тронов проводимости столкновения вто­ричных электронов с ними происходят гораздо реже и вероятность выхода вторич­ных электронов из эмиттера возрастает в несколько раз.

Явление вторичной электронной эмис­сии используется в фотоэлектронных ум­ножителях (ФЭУ), применяемых для уси­ления слабых электрических токов.

4. Автоэлектронная эмиссия — это эмиссия электронов с поверхности метал­лов под действием сильного внешнего электрического поля. Эти явления можно наблюдать в откачанной трубке, конфигу­рация электродов которой (катод — острие, анод — внутренняя поверхность трубки) позволяет при напряжениях при­мерно 10³ В получать электрические поля напряженностью примерно 10⁷ В/м. При постепенном повышении напряжения уже при напряженности поля у поверхности катода примерно 10⁵—10⁶ В/м возникает слабый ток, обусловленный электронами, испускаемыми катодом. Сила этого тока увеличивается с повышением напряжения на трубке. Токи возникают при холодном катоде, поэтому описанное явление назы­вается также холодной эмиссией. Объяс­нение механизма этого явления возможно лишь на основе квантовой теории.

Электрический ток в вакууме. Электронные лампы. Их применение (стр. 1 из 2)

Электроника и радио почти ровесники. Правда, поначалу радио обходилось без помощи 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 фундаментальному научному открытию, которое легло в основу всех электронных ламп и всей электроники дотранзисторного 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 направление.

В электровакуумных приборах для эмиссии электронов используется специальный электрод, называемый катодом. Нагрев осуществляется за счет электрического тока, который пропускает через нить накала, как в электроплитке через спираль. Этот ток называется током накала. В приборах прямого накала сама нить является катодом и эмитирует электроны. В приборах косвенного накала нить подогревается металлический цилиндр, изолированный от нее, который и служит катодом.

Для получения приемлемой эмиссии электронов катоды необходимо нагревать до очень высоких температур порядка 2…3 тысяч градусов. Поэтому нити накала приходится выполнять из тугоплавких металлов, обычно используется вольфрам. Но и вольфрамовая нить накала при такой температуре быстро выходит из строя, так как проволоку абсолютно одинакового сечения по всей длине сделать невозможно. В тех местах, где сечение проволоки чуть меньше, происходит местный перегрев, отчего в этом месте сечение становится еще меньше, а это приводит к еще большему нагреву. Оказалось, что если нанести на поверхность вольфрама тонкий слой окиси или щелочного металла, эмиссия электронов с такого оксидированного или активированного слоя резко увеличивается. Оксидированный вольфрам при температуре 730 градусов Цельсия обеспечивает такую же эмиссию, как не оксидированный при температуре 1580 градусов Цельсия. Поэтому в электровакуумных приборах за редкими исключениями используются оксидированные катоды. В приборах прямого накала оксидный слой наносится непосредственно на вольфрамовую нить. В приборах косвенного накала оксидный слой наносится на катод, который обычно выполняется из никеля.

Вакуумный диод представляет собой двухэлектродный прибор. Одним из его электродов является катод прямого накала или подогревный. Второй электрод называется анодом. Конструктивно анод обычно выполнен в виде металлического цилиндра, на оси которого расположен катод. Вся система заключена в стеклянный или металлический баллон, из которого откачан воздух до высокой степени вакуума. Выводы подогревателя, катода и анода впаяны в стекло баллона. При металлическом баллоне один из его торцов закрыт стеклянным диском с впаянными выводами, который приварен к баллону. Если на анод подать положительное напряжение относительно катода, электрическое поле в пространстве между анодом и катодом вынуждает электроны из электронного облака двигаться к аноду. Их убыль в электронном облаке покрываться новыми электронами за счет термоэлектронной эмиссии катода. В цепи, соединяющий диод с источником питания, возникает ток, направление которого, как обычно, противоположно направлению потока электронов. Условное графическое обозначение вакуумного диода и его вольт – амперная характеристика показана на рис. 1. Выводы нити накала показаны стрелками.

Рис. 1. Включение и характеристика диода

При напряжении источника питания, равно нулю (если вывод анод и катод замкнуты внешним проводником), в цепи протекает ток, называемый начальным. Он вызван электронами, начальная скорость которых при вылете из катода достаточно велика. Только при отрицательном напряжении на аноде порядка 0,5В анодный ток полностью прекращается, а при дальнейшем увеличении отрицательного напряжения обратный ток отсутствует.

Вакуумные диоды имеют сравнительно ограниченное применение. Значительно шире область применения трехэлектродных ламп – триодов. Триод отличается от диода наличием третьего электрода – управляющей сетки, которая выполнена в виде проволочной спирали, размещенной в пространстве между катодом и анодом. Если напряжение на сетке относительно катода отрицательное, она будет тормозить движение электронов от катода к аноду, что приведет к уменьшению анодного тока. При достаточно большем минусе на сетке анодный ток может вообще прекратиться. Если же потенциал сетки относительно катода положителен, сетка будет способствовать увеличению анодного тока. При этом часть электронов будет оседать на сетке, образую сеточный ток, хотя режим использования электронных ламп с сеточным током применяется редко. Таким образом, изменяя потенциал сетки относительно катод, можно управлять анодным током триода, что и послужило причиной названия сетки управляющей.

Рис. 2. Схема включения триода.

Условное графическое обозначение триода показано на рис. 2. 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 сопротивление в цепи сетки ток создает на нем ощутимое падение напряжение, 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 не приятным 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.

Для уменьшения проходной емкости были созданы четырехэлектродные лампы – тетроды (рис. 3). 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.

Электрический ток в вакууме

На прошлых уроках мы начали рассматривать условия протекания электрического тока в различных средах. Рассмотрев опыты Мандельштама и Папалекси мы узнали, что носителями тока в металлах являются свободные электроны. Иными словами, металлы обладают электронной проводимостью.

Так же мы с вами выяснили, что в полупроводниках проводимость обусловлена движением электронов и дырок. Напомним, что проводимость полупроводников, обусловленную наличием у них свободных электронов, называют электронной проводимостью, а обусловленную движением дырок — дырочной проводимостью полупроводников.

Однако в обоих случаях при прохождение электрического тока в результате тех или иных процессов появляются свободные носители зарядов. А возможно ли распространение электрического тока в вакууме, характеризующимся «отсутствием» вещества, а следовательно, и отсутствием электрических зарядов?

Поскольку в вакууме нет свободных носителей зарядов, то он является идеальным диэлектриком. Проверим это на опыте. Возьмём сосуд, из которого откачен воздух. В этот сосуд впаяны две металлические пластины — два электрода.

Одни из них (анод) соединим с положительным полюсом источника тока, другой (катод) — с отрицательным. Также включим в цепь чувствительный миллиамперметр. Замкнём цепь — прибор не показывает никакого тока. Это указывает на то, что в вакууме действительно нет никаких свободных носителей зарядов.

Следовательно, для того чтобы в вакууме мог проходить электрический ток, в нем необходимо каким-то образом предварительно «создать» некоторую концентрацию свободных носителей заряда.

Видоизменим опыт. В качестве катода впаяем в сосуд проволочку (нить), концы которой выведем наружу. Эта проволочка по-прежнему останется катодом. С помощью другого источника тока накалим её. Мы заметим, что, как только нить накаляется, миллиамперметр, включённый в цепь, показывает ток, и тем больший, чем сильнее накалена нить. Значит, накалённая нить обеспечивает наличие в вакууме необходимых для существования тока носителей заряда.

Теперь определим заряд этих частиц. Для этого переменим полюсы у впаянных в сосуд электродов: нить сделаем анодом, а противоположный полюс — катодом. И хотя нить по-прежнему накалена и по-прежнему посылает в вакуум заряженные частицы, тока в цепи нет.

Из этого опыта следует, что испускаемые накалённой нитью частицы заряжены отрицательно, так как они отталкиваются от электрода, когда он заряжен отрицательно. Следовательно, носителями тока в вакууме являются электроны.

Явление испускания веществом электронов при нагревании называется термоэлектронной эмиссией. При этом электроны, испускаемые нагретым телом, называют термоэлектронами, а само тело — эмиттером.

Явление термоэлектронной эмиссии было открыто в 1853 году французским физиком Эдмондом Беккерелем. Затем 13 февраля 1880 года Томасом Эддисоном (после этого данное явление назвали эффектом Эдисона). Однако объяснить явление термоэлектронной эмиссии удалось лишь после открытия Джозефа Томсона в 1897 году. В этом году британский физик Оуэн Уиланс Ричардсон начал работу над темой, которую позже назвал «термоэлектронной эмиссией». Согласно его теории, основанной на электронной теории, свободные электроны в металле находятся в хаотическом движении. При накале нити это движение усиливается.

При этом некоторые электроны, приобретая энергию, достаточную для совершения работы выхода, вылетают из нити, образуя около неё «электронное облачко». Когда между нитью и анодом образуется электрическое поле, то электроны летят к электроду, если он присоединён к положительному полюсу батареи, и отталкиваются обратно к нити, если он присоединён к отрицательному полюсу источника, то есть имеет заряд, одноимённый с электронами.

Вакуумные приборы, работа которых основана на явлении термоэлектронной эмиссии, называются электронными лампами.

Простейшая из них — вакуумный диод — содержит два электрода. Один — в виде спирали из тугоплавкого материала, например вольфрама или молибдена, накаливаемый током, — называется катодом. Второй — холодный электрод, собирающий термоэлектроны, — называется анодом и чаще всего имеет форму цилиндра, внутри которого расположен накаливаемый катод. Условное обозначение вакуумного диода на электрических схемах представлено на рисунке.

Важнейшей характеристикой диода является его вольт-амперная характеристика при постоянном напряжении накала. Для её получения воспользуемся установкой, где применяется диод с катодом косвенного накала. Итак, при напряжении между катодом и анодом, равном нулю, вылетевшие из катода электроны образуют вокруг него электронное облако (пространственный отрицательный заряд), отталкивающее вылетающие из катода электроны.

Большинство электронов возвращается на катод, и лишь незначительное их число достигает анода. С увеличением анодного напряжения число электронов, достигающих анода, увеличивается, а электронное облако постепенно уменьшается. Когда же все термоэлектроны попадают на анод, сила анодного тока достигает насыщения. Дальнейшее увеличение напряжения не приводит к увеличению анодного тока, то есть ток через диод не зависит от напряжения. Такой ток называется током насыщения. Чтобы увеличить ток насыщения необходимо повысить температуру катода, увеличив силу тока накала.

Из-за того, что вольт-амперная характеристика вакуумного диода оказывается нелинейной, диод является нелинейным элементом. Поскольку ток в лампе возможен только в том случае, когда положительный полюс батареи соединён с анодом, а отрицательный — с катодом, то вакуумные диоды обладают односторонней проводимостью. Действительно, при изменении полярности приложенного напряжения и при его достаточной величине (при задерживающем напряжении) термоэлектроны не достигают анода и ток через лампу не проходит.

Для управления током внутрь лампы вводят дополнительные электроды, которые называются сетками, так как им обычно придают форму металлических сеток или спиралей, окружающих катод. В зависимости от общего числа сеток такие лампы называют триодами (анод, катод, управляющая сетка), тетродами (анод, катод и две сетки) и пентодами (анод, катод и три сетки).

Если в аноде вакуумной лампы сделать отверстие, то часть электронов будет пролетать сквозь него. Их движением можно управлять с помощью электрического и магнитного полей.

Испускаемые катодом потоки электронов, движущихся в вакууме, называют электронными пучками или катодными лучами.

Рассмотрим некоторые свойства электронных пучков.

Во-первых, электроны в пучках движутся по прямым линиям.

Попадая на мишень электронный пучок передаёт ей часть своей кинетической энергии, вызывая нагревание мишени. Это свойство используют для электронной плавки в вакууме сверхчистых металлов.

Так же при торможении быстрых электронных пучков в веществе возникает рентгеновское излучение, широко используемое в рентгеновских трубках.

Было установлено и то, что, попадая на поверхность некоторых веществ, электронные пучки способны вызвать их свечение.

А если пропустить электронный пучок между пластинами заряженного конденсатора, то отклоняются от отрицательно заряженной пластины к положительно заряженной.

Также электронный пучок отклоняется в магнитном поле. Пролетая над северным полюсом магнита, электроны отклоняются влево, а пролетая над южным, отклоняются вправо. Так, например, отклонение электронных потоков, идущих от Солнца, в магнитном поле Земли приводит к тому, что свечение газов верхних слоёв атмосферы (то есть полярное сияние) наблюдается ближе к полюсам Земли.

Помимо всего вышеперечисленного, электронные пучки обладают ещё и ионизирующей способностью, а также способны проходить сквозь очень тонкие металлические пластины толщиной 0,003—0,03 мм.

Прибор, в котором используется пучок электронов, свободно летящих в пространстве за анодом, называется электронно-лучевой трубкой.

Рассмотрим её устройство подробнее. Итак, в узком конце трубки находится электронная пушка, которая формирует пучок электронов и состоит из катода, нагреваемого нитью накала, управляющего электрода и ускоряющего анода.

Электроны, вылетающие из катода, разгоняются электрическим полем (5000—50 000 В) между катодом и анодом. Экран электронно-лучевой трубки покрыт изнутри специальным веществом — люминофором, которое светится под действием падающих электронов. В том месте экрана, куда попадает пучок, появляется маленькая светящаяся точка. Изменяя напряжение на аноде, можно фокусировать электронный пучок. Изменяя напряжение между катодом и управляющим электродом, можно изменять интенсивность электронного пучка (яркость пятна на экране). Пучок проходит последовательно две пары отклоняющих пластин, являющихся плоскими конденсаторами. Меняя на них напряжение можно смещать пучок электронов в горизонтальном и вертикальном направлениях практически мгновенно.

В кинескопах телевизоров вместо отклоняющих пластин используют магнитные отклоняющие катушки. Магнитное поле одной пары катушек вызывает отклонение электронного пучка по горизонтали, второй пары катушек — по вертикали.

Для получения цветных изображений вместо одной пушки используют три, которые передают сигналы трёх одноцветных изображений — красного, синего и зелёного цвета. Кроме того, экран кинескопа покрывается кристаллами люминофора трёх сортов, которые под действием электронного пучка светятся соответственно красным, синим и зелёным светом. Смешением этих цветов можно получить всю цветовую гамму красок и оттенков.

И несмотря на то, что в настоящее время электронно-лучевые трубки вытесняются жидкокристаллическими и плазменными экранами, они всё ещё находят широкое применение в радиолокационных установках, телевизорах, осциллографах и так далее.

Ну а теперь давайте с вами определим скорость электронов, вылетающих из электронной пушки под действием приложенного напряжения в 750 В.

Тема лекции «электрический ток в вакууме».

Электрический ток в вакууме

Вакуум — это состояние газа, при котором давление меньше атмосферного. Различают низкий, средний и высокий вакуум.

Для создания высокого вакуума необходимое разрежение, за которого в газе, что остался, средняя длина свободного пробега молекул больше размеров сосуда или расстояния между электродами в сосуде. Следовательно, если в сосуде создан вакуум, то молекулы в нем почти не сталкиваются между собой и пролетают свободно межэлектродный пространство. При этом они испытывают столкновения лишь с электродами или со стенками сосуда.

Чтобы в вакууме существовал ток, необходимо поместить в вакуум источник свободных электронов. Наибольшая концентрация свободных электронов в металлах. Но при комнатной температуре они не могут покинуть металл, потому что их в нем удерживают силы кулоновского притяжения положительных ионов. Для преодоления этих сил электрону, чтобы покинуть поверхность металла, необходимо затратить определенную энергию, которую называют работой выхода.

Если кинетическая энергия электрона превысит или будет равна работе выхода, то он покинет поверхность металла и станет свободным.

Процесс испускания электронов с поверхности металла называют эмиссией. В зависимости от того, как была передана электронам необходима энергия, различают несколько видов эмиссии. Один из них — термоелектронна эмиссия.

Ø Испускание электронов нагретыми телами называют термоелектронною эмиссией.

Явление термоэлектронной эмиссии приводит к тому, что нагретый металлический электрод непрерывно испускает электроны. Электроны образуют вокруг электрода электронное облако. Электрод при этом заряжается положительно, и под воздействием электрического поля заряженного облака электроны из облака частично возвращаются на электрод.

В равновесном состоянии число электронов, покинувших электрод за секунду, равно числу электронов, которые вернулись на электрод за это время.

2. Электрический ток в вакууме

Для существования тока необходимо выполнение двух условий: наличие свободных заряженных частиц и электрического поля. Для создания этих условий в баллон помещают два электрода (катод и анод) и выкачивают из баллона воздуха. В результате нагрева катода из него вылетают электроны. На катод подают отрицательный потенциал, а на анод — положительный.

Электрический ток в вакууме представляет собой направленный движение электронов, полученных в результате термоэлектронной эмиссии.

3. Вакуумный диод

Современный вакуумный диод состоит из стеклянного или металлокерамического баллона, из которого откачан воздух до давления 10-7 мм рт. ст. В баллон впаяны два электрода, один из которых — катод — имеет вид вертикального металлического цилиндра, изготовленного из вольфрама и покрытого обычно слоем оксидов щелочноземельных металлов.

Внутри катода расположен изолированный проводник, что его нагревает переменный ток. Нагретый катод испускает электроны, достигающие анода. Анод лампы представляет собой круглый или овальный цилиндр, имеющий общую ось с катодом.

Односторонняя проводимость вакуумного диода обусловлена тем, что вследствие нагревания электроны вылетают из горячего катода и движутся до холодного анода. Электроны могут двигаться через диод только от катода к аноду (то есть электрический ток может протекать только в обратном направлении: от анода к катоду).

На рисунке воспроизведен вольт-амперную характеристику вакуумного диода (отрицательное значение напряжения соответствует случаю, когда потенциал катода выше потенциала анода, то есть электрическое поле «пытается» вернуть электроны обратно на катод).

 

 Вакуумные диоды используют для выпрямления переменного тока. Если поместить между катодом и анодом еще один электрод (сетку), то даже незначительное изменение напряжения между сеткой и катодом существенно влиять на анодный ток. Такая электронная лампа (триод) позволяет усиливать слабые электрические сигналы. Поэтому некоторое время эти лампы были основными элементами электронных устройств.

4. Электронно-лучевая трубка

Электрический ток в вакууме применяли в электронно-лучевой трубке (ЭЛТ), без которой долгое время нельзя было представить телевизор или осциллограф.

На рисунке упрощенно показана конструкция ЭЛТ.

 

Электронная «пушка» в горловине трубки — катод, который испускает интенсивный пучок электронов. Специальная система цилиндров с отверстиями (1) фокусирует этот пучок, делает его узким. Когда электроны попадают на экран (4), он начинает светиться. Управлять потоком электронов можно с помощью вертикальных (2) или горизонтальных (3) пластин.

Электронам в вакууме можно передать значительную энергию. Электронные пучки можно применять даже для плавки металлов в вакууме.

Конспект на тему Электрический ток в вакууме

Электрический ток в вакууме — упорядоченное движение электронов. Вакуум — это безвоздушное пространство и идеальный изолятор. Как получить электроны в вакууме?

Это можно сделать с помощью термоэлектронной эмиссии. Если в вакуумный баллон поместить металлическую проволоку, подсоединить её к источнику тока, то электроны с раскалённой нити вылетают в вакуум. +

Для получения тока в вакуум нужно поместить положительный электрод, под действием электрического поля электроны приобретут направленное движение.

Движением электронов в вакууме легко управлять, т.к. m_e мала.

Применение: диод – двухэлектродная лампа состоит из вакуумного баллона и 2^х электродов: катода ( — ) и анода ( + ) ,

обладает односторонней проводимостью, применяется для преобразования переменного тока в постоянный.

+ анод I_A

— катод I_Н

I_н — ток насыщения U

Если t_{1 нити >} t_{2 нити,} то I_1н > I_{2 н}

Триод — трёхэлектродная лампа имеет дополнительный электрод сетку, расположенную между катодом и анодом/ Сетка оказывает сильное влияние на анодный ток, применяют для усиления тока. сетка

Электронно – лучевая -трубка — многоэлектродная лампа применяется для получения изображений на экране с помощью пучка электронов в осциллографах, телевизорах (кинескоп ), радиолокационных установках и др. приборах

Управляют электронным пучком с помощью электрического или магнитного поля. Для этого в трубку помещают дополнительные электроды в виде пластин или катушек.