Електровакуумні прилади

Електричний струм у вакуумі

 

 

Найважливішими приладами в електроніці першої половини ХХ в. були електронні лампи, в яких використовувався електричний струм у вакуумі. Проте їм на зміну прийшли напівпровідникові прилади. Але і сьогодні струм у вакуумі використовується в електронно-променевих трубках, при вакуумному плавленні і зварці, у тому числі в космосі, і в багатьох інших установках. Це і визначає важливість вивчення електричного струму у вакуумі.

Вакуум (від лат. vacuum - пустка) - стан газу при тиску, меншому атмосферного. Це поняття застосовується до газу в замкнутій судині або в судині, з якої відкачують газ, а часто і до газу у вільному просторі, наприклад до космосу. Фізичною характеристикою вакууму є співвідношення між довжиною вільного пробігу молекул і розміром судини, між електродами приладу і т.д.

 

Рис. 1. Відкачування повітря з судини

 

Коли йдеться про вакуум, то чомусь вважають, що цей зовсім порожній простір. На самій же справі це не так. Якщо з якої-небудь судини відкачувати повітря (рис.1), то кількість молекул в ньому з часом зменшуватиметься, хоча всі молекули з судини видалити неможливо. Так коли ж можна вважати, що в судині створений вакуум?

Молекули повітря, рухаючись хаотично, часто стикаються між собою і із стінками судини. Між такими зіткненнями молекули пролітають певні відстані, які називаються завдовжки вільного пробігу молекул. Зрозуміло, що при відкачуванні повітря концентрація молекул (їх кількість в одиниці об'єму) зменшується, а довжина вільного пробігу - збільшується. І ось наступає момент, коли довжина вільного пробігу стає рівною розмірам судини: молекула рухається від стінки до стінки судини, практично не зустрічаючись з іншими молекулами. Ось тоді-то і вважають, що в судині створений вакуум, хоча в ньому ще може бути багато молекул. Зрозуміло, що в менших за розмірами судинах вакуум створюється при великому тиску газу в них, ніж у великих судинах.

Якщо продовжувати відкачування повітря з судини, то говорять, що в ньому створюється більш глибокий вакуум. При глибокому вакуумі молекула може багато раз пролетіти від стінки до стінки, перш ніж зустрінеться з іншою молекулою.

Відкачати всі молекули з судини практично неможливо.

Де беруться вільні носії зарядів у вакуумі?

Якщо в судині створений вакуум, то в ньому все ж таки є немало молекул, деякі з них можуть бути і іонізовані. Але заряджених частинок в такій судині для виявлення помітного струму мало.

 

Мал. 2. Випромінювання електронів розжареним провідником

 

Як же отримати у вакуумі достатню кількість вільних носіїв заряду? Якщо нагрівати провідник, пропускаючи по ньому електричний струм або іншим способом, то частина вільних електронів в металі матиме достатню енергію, щоб вийти з металу (виконати роботу виходу). Явище випромінювання електронів розжареними тілами називається термоелектронній емісії.

Електроніка і радіо майже ровесники. Правда, спочатку радіо обходилося без своєї однолітки, але пізніше електронні прилади сталі матеріальною основою радіо, або, як то кажуть, його елементарною базою.

Початок електроніки можна віднести до 1883 року, коли знаменитий Томас Альфа Едісон, намагаючись продовжити термін служби освітлювальної лампи з вугільною ниткою розжарення, ввів в балон лампи, з якої відкачано повітря, металевий електрод.

Саме цей досвід привів Едісона до його єдиного фундаментально-наукового відкриття, яке лягло в основу всіх електронних ламп і всієї електроніки до транзисторного періоду. Відкрите ним явище згодом отримало назву термоелектронної емісії.

Зовні досвід Едісона виглядав досить просто. До висновку електроду і одному з висновків розжареної електричним струмом нитки він під'єднав батарею і гальванометр.

Стрілка гальванометра відхилялася всякий раз, коли до електроду під'єднувався плюс батареї, а до нитки - мінус. Якщо полярність мінялася, то струм в ланцюзі припинявся.

Едісон обнародував цей ефект і отримав патент на відкриття. Правда, роботу свою він, як мовиться, до пуття не довів і фізичну картину явища не пояснив. В цей час електрон ще не був відкритий, а поняття "термоелектронна емісія", природно, могло з'явитися лише після відкриття електрона.

Ось в чому її суть. В розжареній металевій нитці швидкість руху і енергія електронів підвищуються настільки, що вони відриваються від поверхні нитки і вільним потоком спрямовуються в оточуюче її простір. Що вириваються з нитки електрони можна уподібнити ракетам, що подолали силу земного тяжіння. Якщо до електроду буде приєднаний плюс батареї, то електричне поле усередині балона між ниткою розжарення і електродом спрямує до нього електрони. Тобто усередині лампи потече електричний струм.

Потік електронів у вакуумі є різновидом електричного струму. Такий електричний струм у вакуумі можна отримати, якщо в судину, звідки ретельно відкачується повітря, помістити нагрівається катод, що є джерелом електронів, що "випаровуються", і анод. Між катодом і анодом створюється електричне поле, що повідомляє електрони швидкості в певному напрямі.

В трубках телевізорів, радіолампах, установках для плавлення металів електронним променем, багатьох інших установках електрони рухаються у вакуумі. Яким чином одержують потоки електронів у вакуумі? Як управляють цими потоками?

 

Рис.3

Ми знаємо, що в металах є електрони провідності. Середня швидкість руху цих електронів залежить від температури металу: вона тим більше, чим вище температура. Розташуємо у вакуумі на деякій відстані один від одного два металеві електроди (рис.3) і створимо між ними певну різницю потенціалів. Струму в ланцюзі не буде, що свідчить про відсутність в просторі між електродами вільних носіїв електричного заряду. Отже, в металах є вільні електрони, але вони утримуються усередині металу і при звичайних температурах практично не можуть виходити з нього. Для того, щоб електрони змогли вийти за межі металу (аналогічно вильоту молекул за межі рідини при її випаровуванні), вони повинні подолати сили електричного тяжіння з боку надлишку позитивного заряду, що виник в металі унаслідок вильоту електронів, а також сил відштовхування з боку електронів, які вилетіли раніше і утворили поблизу поверхні металу електронну "хмарку". Інакше кажучи, щоб вилетіти з металу у вакуум, електрон повинен виконати певну роботу А проти цих сил, природно, різну для різних металів. Цю роботу називають роботою виходу електронів з металу. Робота виходу виконується електронами за рахунок їх кінетичної енергії. Тому ясно, що повільні електрони вирватися з металу не можуть, а вириваються тільки ті, кінетична енергія яких Теньк перевищує роботу виходу, тобто Теньк? А. Вихід вільних електронів з металу називають емісією електронів.

Для того, щоб існувала емісія електронів, необхідно повідомити електронам провідності металів кінетичну енергію, достатню для виконання роботи виходу. Залежно від способу повідомлення електронам необхідної кінетичної енергії бувають різні типи електронної емісії. Якщо енергія повідомляються електрони провідності за рахунок бомбардування металу ззовні якимись іншими частинками (електронами, іонами), має місце вторинна електронна емісія. Емісія електронів може відбуватися під впливом опромінювання металу світлом. В цьому випадку спостерігається фотоемісія, або фотоелектричний ефект. Можливо також виривання електронів з металу під дією сильного електричного поля - автоелектронна емісія. Нарешті, електрони можуть придбавати кінетичну енергію за рахунок нагрівання тіла. В цьому випадку говорять про термоелектронну емісію.

Розглянемо докладніше явище термоелектронної емісії і його застосування.

При звичайних температурах мізерне число електронів може володіти кінетичною енергією, порівнянною з роботою виходу електронів з металу. З підвищенням температури число таких електронів росте і при нагріванні металу до температур близько 1000 - 1500 градусів вже значне число електронів матиме енергію, перевищуючу роботу виходу з металу. Саме ці електрони можуть вилетіти з металу, але вони не віддаляються від його поверхні, оскільки метал при цьому заряджає позитивно і притягає електрони. Тому біля нагрітого металу створюється "хмарка" електронів. Частина електронів з цієї "хмарки" повертається назад в метал, і в той же час з металу вилітають нові електрони. При цьому між електронним "газом" і електронною "хмаркою" встановлюється динамічна рівновага, коли число електронів, що вилітають за певний час з металу, порівнюється з числом електронів, які за той же час повертаються з "хмарки" в метал.

Вакуумний діод (двохелектродна лампа)

З попереднього параграфа стає зрозумілим, як зробити так, щоб в розглянутій вище ланцюзі (рис.3) протікав постійний електричний струм. Очевидно, достатньо нагрівати один з металевих електродів, а саме електрод, сполучений з негативним полюсом джерела струму. В цьому випадку електрони, вилітавши з нагрітого металу, притягуватимуться до позитивно зарядженого електроду, і в ланцюзі протікатиме струм. Так ми, нарешті, підійшли до принципу пристрою двохелектродної лампи (діода), широко вживаній в електро- і радіотехніці.

 

Рис. 4

 

Сучасний діод складається з скляного або металевого балона (рис.4), з якого ретельно відкачується повітря. В балон упаяно два електроди, один з яких (катод) виготовляють у вигляді нитки з тугоплавкого металу, звичайно вольфраму, яка може розігріватися від джерела струму для створення електронної "хмарки" в балоні. Анод діода частіше за все має форму циліндра, усередині якого по осі розташований розжарюваний катод.

Розглянутий нами катод - катод прямого напруження - застосуються рідко. Найбільш поширені катоди непрямого підігріву. Вони є напівпровідниковим шаром, нанесеним на керамічну трубочку. Нагріваються ці катоди за допомогою мініатюрної електричної печі (рис.5) - підігрівача. На

(Рис.6) показано схематичне зображення діода з катодом прямого (а) і непрямого (б) напруження.

 

а)           б)

Рис. 5

 

Рис. 6

 

Познайомимося з основними властивостями діода. Для цього складемо електричний ланцюг з діода, джерел напруги Ua і Uk і гальванометра (рис.7). Комутатор К2 дозволяє створювати між анодом і катодом напругу (анодне) різної полярності. При замиканні перемикача К2 в положення 1 на анод подається позитивний щодо катода потенціал, а при замиканні перемикача К2 в положення 2 - негативний.

 

Рис. 7

Якщо замкнемо перемикач К2 в положення 1, тобто повідомимо аноду позитивний щодо катода потенціал, але не замкнемо перемикач К1 (не розігріватимемо катод), то струму в ланцюзі не буде навіть при великих анодних напругах Uа. І це зрозуміло. Температура обох електродів рівна кімнатній, термоелектронна емісія катода анода дуже мала, і в просторі між анодом і катодом практично відсутні заряджені частинки, рух яких в електричному полі міг би створити електричний струм.

Якщо перемикач К1 замкнути і розігріти катод, то навіть при анодній напрузі Ua=0 в ланцюзі анода протікатиме незначної сили струм I0. Виникнення цього струму можна пояснити так.

При високій температурі катода великої буде і емісія електронів з нього. Найшвидші електрони, що вилетіли з катода, долітають до анода, створюючи в ланцюзі анодний струм. Якщо аноду повідомити невеликий негативний потенціал щодо катода (перемикач К2 в положенні 2), то сила анодного струму зменшується, оскільки в цьому випадку електрони повинні долати гальмуюче поле між анодом і катодом. При певній анодній напрузі U1 навіть найшвидші електрони не можуть подолати гальмуюче поле і сила анодного струму рівна нулю.

Повідомимо тепер аноду позитивний щодо катода потенціал (перемикач К2 в положенні 1). В цьому випадку електричне поле між анодом і катодом сприяє руху електронів до анода, але при цьому порушується динамічна рівновага між вильотом з катода і поверненням в нього електронів і емісія посилюється. Залежність між силою струму в діоді і анодною напругою можна зобразити графічно (рис. 8)

Ia

Iн

 

U1 а U2 U3     Uн Uа

Рис. 8

 

Крива, що показує залежність сили струму в діоді від анодної напруги, називається вольтамперной характеристикою діода. У міру збільшення анодної напруги все більше число що вилітають з катода електронів захоплюється електричним полем і сила анодного струму різко зростає до тих пір, поки напруга не досягне такого значення Uн, при якому що всі вилітають з катода за одиницю часу електрони переміщатимуться полем до анода. Сила анодного струму досягає максимального значення Iн, яке називають силою струму насичення діода, і подальше збільшення анодної напруги не веде до збільшення сили анодного струму. Анодна напруга Uн отримала назву напруги насичення.

При напрузі Uа = 0 сила струму Iо дуже мала, значно менше сили струму насичення, тому вважають, що вольтамперна характеристика проходить через початок координат, тобто нехтують силою струму Iо: тоді при Ua = 0 і I0 = 0.

Зверніть увагу, що вольтамперна характеристика діода нелінійна, як це має місце у разі металевих провідників. Опір діода, знайдений як приватне від розподілу анодної напруги на силу струму, при різних анодних напругах буде різним і не може служити параметром діода. Таким чином, електронна лампа є прикладом провідника, для якого не виконується закон Ома.

Оскільки розжарюваний діод лампи випускає електрони, а не позитивні іони, діод проводить струм тільки у разі повідомлення аноду лампи позитивного щодо катода потенціалу. Якщо ж аноду повідомити негативний потенціал, то термоелектрони відштовхуватимуться від негативно зарядженого анода і притягуватимуться до позитивно зарядженого катода і струм через лампу не йде - лампа закривається. Це означає, що лампа володіє односторонньою провідністю. Одностороння провідність діода широко використовується в техніці для випрямляння змінного струму.

 

Вакуумний тріод

 

Для поліпшення дії електронної лампи в неї вводять додаткові сітки. Лампу з двома сітками називають тетродом (тобто чотириелектродної), з трьома - пентодом (п'ятиелектродної). Поява електронних ламп різноманітних пристроїв, заснованих на їх застосуванні, зіграли величезну роль в розвитку радіо. Тріод також застосовують, як генератор електричних коливань.

Потоком електронів, що рухаються в електронній лампі від катода до анода можна управляти за допомогою електричних і магнітних полів. Найпростішим електровакуумним приладом, в якому здійснюється управління потоком електронів за допомогою електричного поля, є тріод. Балон, анод і катод вакуумного тріода мають таку ж конструкцію, як і у діода, проте на шляху електронів від катода до анода в тріоді розташовується третій електрод, званий сіткою. Звичайно сітка - це спіраль з декількох витків тонкого дроту навкруги катода.

 

               

Рис. 9                       Рис. 10

Якщо на сітку подається позитивний потенціал щодо катода (рис.9), то значна частина електронів пролітає від катода до анода, і в ланцюзі анода існує електричний струм. При подачі на сітку негативного потенціалу щодо катода електричне поле між сіткою і катодом перешкоджає руху електронів від катода до анода (рис.10), анодний струм убуває. Таким чином, змінюючи напругу між сіткою і катодом, можна регулювати силу струму в ланцюзі анода, що і послужило причиною назви сітки управляючої.

 

Мал. 11. Схема включення тріода

 

Умовне графічне позначення тріода показано на рис.11. Промисловість випускає широкий асортимент самих різних тріодів, а також подвійних тріодів із загальним і роздільними катодами, які застосовувалися в різній радіоапаратурі, ще знаходячись в експлуатації.

До параметрів тріода відносяться: внутрішній опір - відношення приросту анодної напруги до приросту анодного струму, коефіцієнт посилення - відношення приросту анодної напруги до приросту напруги на сітці, крутизна характеристики анодного струму - відношення приросту анодного струму до приросту напруги на сітці:

 

 

Внутрішній опір Ri вимірюється в кОм, крутизна характеристики S - в А/В, коефіцієнт посилення м - величина безрозмірна.

До граничних експлуатаційних параметрів тріодів відноситься ті ж параметри, що і до діодів: мінімальна і максимальна напруги напруження, найбільша допустимо зворотна напруга анода, найбільша напруга між катодом і підігрівачем, найбільший середній анодний струм, гранична потужність, розсіювана анодна, а також додаткові параметри (найбільша негативна напруга на сітці і найбільший опір в ланцюзі сітки). Необхідність обмеження опору в ланцюзі сітки зв'язана з тим, що сітка звичайно розташовується дуже близько до катода і може їм нагріватися. При цьому можливо поява термоелектронної емісії з сітки, яка приводить до зворотного сіткового струму. Хоча ця емісія і зворотний струм дуже мала, але при більшому опорі в ланцюзі сітки струм створює на ньому відчутне падіння напруги, яка може порушити нормальний режим лампи.

При використовуванні тріодів в схемах, що працюють на високій частоті, доводиться враховувати і власні міжелектродні місткості лампи: вхідну місткість між анодом і катодом, а також прохідну місткість між анодом і сіткою. Якщо вхідна і вихідна місткості виявляються підключеними паралельно навантаженням попереднього і даного каскадів, що не дуже жахливо, то прохідна місткість може приводити до дуже неприємних наслідків. В підсилювальних схемах слабий сигнал звичайно подається на сітку лампи, а на аноді утворює посилений сигнал. Прохідна місткість створює шлях цьому сигналу з анода назад на сітку, що може привести до самозбудження каскаду. Це особливо небезпечно на високій частоті, коли порівняно невелика місткість володіє невеликим опором місткості.