§ 61. Термоэлектронная эмиссия. Электронные лампы

При температурах, отличных от абсолютного нуля, имеется некоторое количество электронов, энергия которых достаточна для того, чтобы преодолеть потенциальный барьер, имеющийся на границе металла. При повышении температуры количество таких электронов резко возрастает и делается вполне заметным. Испускание электронов нагретым металлом называется термоэлектронной эмиссией.

Исследование термоэлектронной эмиссии осуществляется с помощью схемы, изображенной на рис. 61.1. Основным элементом схемы является двухэлектродная лампа, называемая также вакуумным диодом. Она представляет собой хорошо откачанный металлический или стеклянный баллон, внутри которого имеются два электрода — катод К. и анод А. Конструктивно электроды могут быть выполнены разными способами. В простейшем случае катод имеет форму тонкой прямой нити, анод—коаксиального с ней цилиндра (рис. 61.2).

Рис. 61.1.

Рис. 61.2.

Рис. 61.3.

Катод нагревается током, создаваемым батареей накала Температуру катода можно менять, регулируя с помощью реостата R силу тока накала. На электроды подается напряжение от анодной батареи Анодное напряжение можно изменять с помощью потенциометра П и измерять вольтметром V. считается положительным, если потенциал анода выше потенциала катода). Гальванометр G предназначен для измерения силы анодного тока

При постоянном токе накала катода кривая зависимости силы анодного тока от анодного напряжения имеет вид, показанный на рис. 61.3. Эта кривая называется вольт-амперной характеристикой диода. Различные кривые на рис. 61.3 соответствуют разным температурам катода. При малых значениях эти кривые совпадают.

Рассмотрим характерные особенности кривых При вылетевшие из катода электроны образуют вокруг него отрицательный пространственный заряд — электронное облако. Это облако отталкивает вылетающие из катода электроны и большую часть их возвращает обратно. Все же небольшому числу электронов удается долететь до анода, в результате чего в анодной цепи будет течь слабый ток. Чтобы полностью прекратить попадание на анод электронов, т. е. сделать равным нулю, необходимо приложить между катодом и анодом некоторое отрицательное напряжение.

Следовательно, вольт-амперная характеристика диода начинается не в нуле, а немного левее начала координат.

Из рис. 61.3 вытекает, что закон Ома для вакуумного диода не выполняется. Начальный участок кривой довольно хорошо следует полученному теоретически Ленгмюром и Богуславским закону трех вторых. Согласно этому закону сила анодного тока изменяется пропорционально .

С ростом все большее число электронов отсасывается электрическим полем к аноду и, наконец, при определенном значении электронное облако полностью рассасывается и все вылетевшие из катода электроны получают возможность достигнуть анода. Дальнейший рост не может увеличить силу анодного тока — ток достигает насыщения.

Очевидно, что именно ток насыщения характеризует термоэлектронную эмиссию. Если в единицу времени с единицы поверхности катода вылетает N электронов, то плотность тока насыщения (сила тока насыщения, отнесенная к единице поверхности катода) будет равна Следовательно, измеряя плотность тока насыщения при различной силе тока накала, можно найти количество электронов, вылетающих с единицы поверхности при разных температурах.

Исходя из квантовых представлений, Дэшман получил в 1923 г. для тока насыщения следующую формулу:

Здесь — работа выхода, А — не зависящая от рода металла константа, теоретическое значение которой равно

Экспериментальные значения константы А значительно меньше теоретического и сильно отличаются для разных металлов. Температурный ход тока насыщения формула (61.1)] передает вполне удовлетворительно. График функции (61.1) дан на рис. 61.4.

Ричардсон вывел в 1901 г. классическую формулу для термоэлектронной эмиссии. Она отличается от (61.1) лишь тем, что вместо в нее входит Формула (61.1) называется формулой Ричардсона — Дэшман а.

Из (61.1) следует, что уменьшение резко повышает эмиссию (легко убедиться в том, что при 1160 К, т. е. при , уменьшение от 3 до 1 эВ приводит к возрастанию почти в раз). Поэтому при изготовлении электронных ламп применяются специальные покрытия и способы обработки катодов, приводящие к снижению работы выхода.

Рис. 61.4.

Современные так называемые оксидные катоды, изготовляемые из никеля, покрытого окисью бария или стронция, имеют работу выхода порядка .

Диод пропускает ток только в том случае, когда потенциал анода выше, чем катода. При отрицательном напряжении ток в анодной цепи отсутствует. Это свойство диода позволяет использовать его для выпрямления переменного тока. Диод, предназначенный для этой цели, называют также кенотроном. На рис. 61.5 показан сплошной линией график тока, текущего через кенотрон, если на него подается переменное напряжение, изменяющееся со временем по гармоническому закону.

Рис. 61.5.

Рис. 61.6.

В этом случае ток в цепи течет лишь в течение половины периода, в связи с чем такой способ выпрямления тока называется однополупериодным.

Используя одновременно два кенотрона или двойной диод, собранный в одном баллоне, можно осуществить двухполупериодное выпрямление. Соответствующая схема изображена на рис. 61.6. Первичная обмотка трансформатора питается переменным током. Вторичных обмоток две. Меньшая служит для накала катода. Большая обмотка имеет средний вывод, который через нагрузку R соединен с катодом. Концы обмотки идут к анодам. Одну половину периода под более высоким потенциалом, чем катод, находится один анод, вторую половнну — другой. В результате через нагрузку течет ток, изображенный графически на рис. 61.7. Такой пульсирующий ток можно сгладить.

Если между катодом и анодом поместить третий электрод в виде сетки, получится трехэлектродная лампа — триод, (рис. 61.8; цепь накала на схеме опущена). Сетка может быть выполнена, например, в виде спирали, обвивающейся вокруг катода. При сообщении сетке небольшого положительного потенциала относительно катода (в этом случае напряжение между сеткой и катодом мы будем считать положительным) электроны будут быстрее отсасываться от катода. Некоторые из них попадут на сетку (в результате чего возникнет небольшой сеточный ток ), но основная часть пролетит сквозь сетку и достигает анода.

Из-за близости сетки к катоду небольшие изменения напряжения между сеткой и катодом оказывают большое влияние на силу анодного тока.

Отрицательное сеточное напряжение уменьшает анодный ток, и при достаточно большом отрицательном напряжении ток прекращается полностью — лампа оказывается запертой.

Рис. 61.7.

Рис. 61,8,

Рис. 61.9.

Если построить зависимость анодного тока от сеточного напряжения при постоянном анодном напряжении получается кривая, изображенная на рис. 61.9. Совокупность таких кривых, построенных для разных значений образует семейство сеточных характеристик триода. Величина

называется крутизной характеристики.

Значительная часть характеристики прямолинейна. Это дает возможность, подавая на сетку небольшое синусоидальное напряжение получать большие синусоидальные изменения анодного тока. При этом с сопротивления R может быть снято переменное напряжение с гораздо большей амплитудой, чем амплитуда . На этом основано действие триода как усилителя. Кроме того, триод может быть использован для преобразования (изменения формы) и генерирования (возбуждения) переменных токов и напряжений.

Для улучшения характеристик электронной лампы в нее вводятся дополнительные электроды — сетки.

Лампа с двумя сетками, т. е. четырехэлектродная лампа, называется тетродом, пятиэлектродная — пентодом и т. д. Широкое применение получили также лампы, в которых в одном баллоне совмещены две системы электродов. Каждая такая лампа выполняет функции двух ламп.