§ 13. ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ. ЭЛЕКТРИЧЕСКИИ ТОК В ВАКУУМЕ. ЭЛЕКТРОННАЯ ЛАМПА

Интенсивность термоэлектронной эмиссии, т. е. число электронов, «испаряющихся» с поверхности нагретых металлов в единицу времени, зависит главным образом от температуры металла и работы выхода электронов из него. С повышением температуры увеличивается число электронов, у которых кинетическая энергия теплового движения делается больше работы выхода. Можно увеличить число «испаряющихся» электронов, если уменьшить работу выхода электронов из

металла; это достигается путем специальной обработки поверхности металла, добавлением примесей, изменяющих структуру ионной решетки, или нанесением на поверхность металлов тонких слоев другого вещества, способствующих уменьшению работы выхода.

Термоэлектронная эмиссия используется для получения потоков электронов, направляемых затем на те или иные объекты, подвергаемые бомбардировке электронами. Например, в рентгеновских трубках потоку электронов, которым сообщаются большие скорости, бомбардируют металлы и возбуждают рентгеновское излучение. В электронных микроскопах потоки электронов служат для «освещения» изучаемых объектов; они дают на экране микроскопа «электронное изображение» этого объекта. Поток электронов в вакууме является разновидностью электрического тока.

Рис. III.38

Такой электрический ток в вакууме можно получить, если в сосуд, откуда тщательно откачивается воздух давлений порядка поместить нагреваемый катод, являющийся источником «испаряющихся» электронов, и анод. Между катодом и анодом создается электрическое поле, сообщающее электронам скорости в определенном направлении.

Рассмотрим схему (рис. II 1.38, а), в которой можно изменять температуру катода (путем подачи различного тока накала и изменять напряженность электрического поля поверхности катода (путем изменения разности потенциалов между анодом и катодом). Пока температура катода мала, значительная часть вылетающих из его поверхности электронов возвращается обратно к катоду. К аноду идут лишь те электроны, которые, обладая большой скоростью, удаляются от поверхности катода настолько далеко, что электрическая сила оказывается больше силы, втягивающей эти электроны обратно в катод. С увеличением тока накала т. е. с повышением температуры катода, число таких электронов увеличивается. Поток электронов от катода к аноду непрерывно поддерживается внешним источником тока, создающим внутри лампы разность потенциалов измеряя анодный ток можно обнаружить зависимость тока эмиссии в лампе от температуры катода.

Допустим теперь, что температура катода сохраняется постоянной; изменяется только анодное напряжение следовательно,

напряженность поля поверхности катода. При малых значениях и когда действующая на электроны сила мала, лишь незначительная часть электронов может быть оторвана от электронного облака, окружающего катод (электроны, наиболее удалившиеся от катода). По мере увеличения число электронов, отрываемых от этого электронного облака, увеличивается. Наконец, при очень больших значениях и почти все электроны, покидающие катод, подтягиваются к аноду. Наибольшая величина термоэлектронного тока, которая может быть получена из катода при данной его температуре, называется током насыщения.

На рис. III.38, б показана зависимость анодного тока от анодного напряжения при двух температурах катода: высокой (сплошная линия) и низкой (пунктирная линия). При высоких температурах и близком расположении анода и катода возможно существование анодного тока и при это означает, что имеется некоторое количество электронов, энергия теплового движения которых оказывается достаточной для преодоления работы выхода и достижения анода без помощи электрического поля. Для того чтобы приостановить движение этих электронов, необходимо к лампе приложить обратное поле, т. е. подать к аноду отрицательный, а к катоду — положительный потенциал (напряжение

До наступления насыщения зависимость силы тока через лампу от приложенной разности потенциалов между анодом и катодом выражается формулой Богуславского — Лэнгмюра (закон «трех вторых»):

где В зависит от формы, размеров и относительного расположения катода и анода. Для токов насыщения интересуются не силой тока а плотностью тока насыщения, т. е. где поверхность катода, испускающая электроны. Плотность тока насыщения уже не зависит от и определяется по формуле Ричардсона:

где В — постоянная величина (теоретически — одинаковая для всех чистых металлов); абсолютная температура катода; А — работа выхода электронов из катода; постоянная Больцмана.

Для чистого вольфрама работа выхода поэтому при плотность тока насыщения составляет а при — около . Этот пример иллюстрирует, как резко возрастает термоэмиссионный ток с повышением температуры катода.

В радиотехнике и в устройствах по автоматическому управлению различными процессами широкое применение получили электронные или катодные лампы, в которых используется электронный поток от нагреваемого катода к аноду. Эти лампы применяются для:

1) выпрямления переменных токов;

2) усиления слабых колебаний токов или потенциалов,

3) генерирования электромагнитных колебаний.

Выпрямление переменных токов осуществляется двухэлектродными лампами (диоды, кенотроны). При включении кенотрона в цепь синусоидального тока по схеме, изображенной на рис. II 1.39, а, через прибор потребляющий электрическую энергию, проходит пульсирующий ток, график которого показан рядом; пунктиром изображен ток обратного направления, не пропускаемый («отрезанный») кенотроном. Таким образом, через ток проходит только в одном направлении, но с перерывами через каждые пол периода.

Более удобна схема, изображенная на рис. II 1.39, б. В течение одной половины периода ток течет в направлении в течение следующей половины периода — в направлении В течение обоих полупериодов через прибор потребляющий электрическую энергию, ток проходит в одном и том же направлении.

Рис. III.39

Здесь В есть средняя точка вторичной обмотки трансформатора подбирая числа витков этого трансформатора, можно одновременно с выпрямлением производить повышение или понижение напряжения тока.

Усиление слабых колебаний токов и потенциалов производится при помощи электронных ламп, у которых между катодом и анодом помещен дополнительный электрод — сетка. Принципиальная схема включения такой лампы — триода — в качестве усилителя показана на рис. II 1.40. Переменное напряжение создает между сеткой и катодом электрическое поле, напряженность которого может быть направлена либо от сетки к катоду, либо же от катода к сетке. В первом случае поле подхватывает электроны, вылетевшие из катода, и сообщает им дополнительные скорости по направлению к аноду. Во втором случае поле отбрасывает электроны обратно к катоду; при больших поток электронов от катода к аноду прекращается совсем: лампа «запирается» сеткой.

Таким образом, в зависимости от величины и знака (т. е. от величины и направления будет изменяться сила «анодного» тока

протекающего через лампу. Следует заметить, что при переменном анодный ток является пульсирующим, т. е. течет только в одном направлении и изменяется по величине. Усиление заключается в том, что разность потенциалов на сопротивлении равная значительно больше разности потенциалов приложенной между катодом и сеткой.

На рис. III.41 показана зависимость между анодным током и разностью потенциалов между катодом и сеткой называемая сеточной характеристикой электронной лампы; пунктиром показана та же зависимость для меньшего значения анодного напряжения

Рис. III.40

Рис. III.41

Таким образом, если при неизменном увеличивать анодное напряжение на то анодный ток изменится на такое же увеличение анодного тока можно получить, если изменить сеточное напряжение от до т. е. на Отношение

называется статическим коэффициентом усиления лампы. При этом разность потенциалов на сопротивлении изменится на величину Отношение

называется динамическим коэффициентом усиления лампы.