Учебник для 10-11 классов

ФИЗИКА

§ 3.12. Двухэлектродная электронная лампа - диод

Электронными лампами называются устройства, основанные на применении термоэлектронной эмиссии. Простейшим типом электронных ламп является двух-электродная лампа — диод прямого накала.

Устройство диода

Диод представляет собой вакуумированный баллон, в котором находятся два электрода: вольфрамовая нить К, являющаяся источником электронов (катод), и металлический полуцилиндр А (анод), окружающий катод (рис. 3.30, а). В других типах ламп анод может быть замкнутым цилиндром, который расположен не горизонтально, как на рисунке 3.30, а, а вертикально.

В этом случае и катод, совпадающий с осью анода, тоже расположен вертикально. Условное изображение диода показано на рисунке 3.30, б.

Рис. 3.30

В лампах прямого накала нить накала из вольфрама одновременно служит катодом. Для получения значительной эмиссии нить нагревают до температуры 2000—2500 К. Диод прямого накала имеет существенный недостаток. Если катод нагревается переменным током, то его температура из-за малой теплоемкости нити периодически изменяется, что вызывает колебания тока в цепи лампы. По этой причине в настоящее время диоды прямого накала почти не применяются. Вместо них применяются лампы с косвенным накалом или диоды с подогревным катодом.

В лампах с косвенным накалом катод представляет собой никелевую трубочку, покрытую слоем оксидов щелочно-земель-ных металлов — бария, стронция, кальция. Такой катод называют оксидным. Работа выхода электронов с поверхности оксидного катода в несколько раз меньше, чем с вольфрама. Это позволяет снизить температуру накала до 1000 К. Подогрев катода обеспечивается небольшой спиралью, расположенной внутри трубочки (рис. 3.31, а). Условное обозначение диода с подогревным катодом изображено на рисунке 3.31,6.

Рис. 3.31

Вольт-амперная характеристика диода

Существенные свойства любого электронного прибора отражает его вольт-амперная характеристика, т. е. зависимость силы тока от напряжения, поданного на этот прибор. Для получения вольт-амперной характеристики вакуумного диода можно воспользоваться цепью, схема которой изображена на рисунке 3.32.

Рис. 3.32

В отличие от характеристики металлического проводника эта характеристика нелинейная (рис. 3.33). Следовательно, электронная лампа представляет собой проводник, не подчиняющийся закону Ома.

Рис. 3.33

Рассмотрим подробнее причину нелинейности вольт-амперной характеристики вакуумного диода. При вылете электронов из разогретого катода он заряжается положительно. Поэтому электроны, покинувшие катод, группируются возле него в виде объемного отрицательного заряда или так называемого электронного облака. Под действием электрического поля между катодом и электронным облаком электроны из облака частично возвращаются обратно на катод. В равновесном состоянии число электронов, покинувших катод в секунду, равно числу электронов, возвративихихся на него за это время. При таком динамическом равновесии среднее число электронов в электронном облаке остается неизменным. Чем выше температура металла, тем больше плотность электронного облака.

Если к электродам диода приложить напряжение, называемое анодным напряжением, присоединив анод к точке цепи, имеющей положительный потенциал, а катод — к точке с отрицательным потенцигшом (см. рис. 3.32), то между электродами возникнет электрическое поле. Под действием этого поля электроны начнут перемещаться от катода к аноду, образуя анодный ток. Электронное облако при этом начнет рассасываться. Из-за наличия электронного облака сила анодного тока I не пропорциональна анодному напряжению U. Если катод и анод представляют собой плоские пластины, параллельные друг другу (рис. 3.34), то в отсутствие электронного облака (при холодном катоде) распределение потенциала между катодом и анодом, образующими плоский конденсатор, изображается прямой линией 1.

Рис. 3.34

При наличии электронного облака (при накаленном катоде) распределение потенциала изменяется: оно изображается теперь кривой 2. При этом значение потенциала в любой плоскости, находящейся на расстоянии х от катода, оказывается меньше, чем в отсутствие электронного облака, а следовательно, и скорости движения электронов при наличии электронного облака уменьшаются. С увеличением анодного напряжения концентрация электронов в облаке уменьшается. Поэтому и тормозящее действие объемного отрицательного заряда делается меньше, а сила анодного тока увеличивается.

Если катод не покрыт оксидным слоем, то при достаточно большом анодном напряжении все электроны, покинувшие катод, достигают анода, и при дальнейшем увеличении напряжения сила тока не изменяется. Такой ток называется током насыщения (штриховая линия на рисунке 3.35). При повышении температуры катода (это можно сделать, увеличив при помощи реостата силу тока в цепи накала) ток насыщения возрастает (см. рис. 3.35).

Рис. 3.35

В электронной лампе с оксидным катодом достигнуть тока насыщения нельзя, ибо это требует столь больпюго анодного напряжения, при котором катод разрушается.

Применение вакуумных диодов

Важным свойством вакуумного диода является его односторонняя проводимость: электроны в нем движутся от раскаленного катода к аноду. Обратное направление тока невозможно. Приборы, обладающие свойством проводить ток только в одном направлении, называются электрическими вентилями.

Этим свойством двухэлектродной электронной лампы пользуются для выпрямления переменного тока*.

Лампа, применяемая для выпрямления токов промышленной частоты, называется кенотроном.

Двухэлектродный вакуумный прибор — диод обладает односторонней проводимостью. Это его свойство используется для выпрямления переменного тока.

* Об устройстве выпрямителей переменного тока будет рассказано в дальнейшем.