§ 88. Эмиссия электронов. Термоэлектронная эмиссия. Электронные лампы

В металле всегда имеется некоторое количество свободных электронов, обладающих повышенной кинетической энергией и потому способных вылететь за его пределы. Затем вылетевшие электроны будут вновь втянуты в металл (см. § 87), но на их место вырвутся другие свободные электроны. Между электронами, вылетающими из металла и влетающими в него, устанавливается подвижное равновесие, в результате которого над поверхностью металла образуется своеобразное электронное облако. Испускание электронов металлом называется электронной эмиссией. Это явление отчасти подобно испарению жидкости.

При нормальных внешних условиях электронная эмиссия выражена слабо. Для повышения ее интенсивности следует увеличить кинетическую энергию свободных электронов до значений, равных или больших работы выхода. Этого можно достигнуть различными способами. Во-первых, созданием электрического поля очень большой напряженности (порядка ), способной вырывать электроны из металла (холодная эмиссия). Такая эмиссия используется, например, в электронных микропроекторах (см. § 102). Во-вторых, бомбардировкой металла электронами, предварительно разогнанными электрическим полем до очень большой скорости. Каждый из бомбардирующих электронов может вырвать из металла несколько новых электронов (вторичная эмиссия). -третьих, интенсивным освещением поверхности отрицательно заряженного металла (фотоэмиссия). На фотоэмиссии основано явление внешнего фотоэффекта и устройство вакуумного фотоэлемента (см. § 136). -четвертых, нагреванием металла. Эмиссия электронов, обусловленная нагреванием металла, называется термоэлектронной эмиссией. Термоэлектронная эмиссия как источник интенсивных электронных потоков (лучей, токов) широко

используется во многих электронно-вакуумных приборах: электронных осциллографах (см. § 102), электронных микроскопах (см. § 102), рентгеновских трубках (см. § 125), электронных лампах и т. д.

С основными закономерностями термоэлектронной эмиссии мы познакомимся при рассмотрении принципа устройства и действия электронной лампы. Простейшими электронными лампами являются трехэлектродная лампа — триод (рис. 184) и двухэлектродная лампа — диод. Триод состоит из стеклянного баллона 4, внутри которого соосно укреплены три металлических электрода: тонкая нить 1 (катод или накал), тонкостенный цилиндр 2 (анод) и помещенная между ними редкая «спираль» 3 (сетка). Воздух из баллона откачан. Диод отличается от триода только отсутствием сетки. На электротехнических схемах электронные лампы изображаются так, как показано на рис. 185 (а — триод, б - диод).

Рис. 184

Принцип действия электронной лампы рассмотрим сначала на примере диода. Включим диод в электрическую цепь, схематически изображенную на рис. 186 (Бп - батарея накала, анодная батарея). Вокруг катода, разогреваемого током накала образуется электронное облако. Под действием электрического поля, создаваемого анодным напряжением (приложенным между катодом и анодом), электроны из этого облака устремятся к аноду и создадут в цепи анодный ток (анодное напряжение измеряется вольтметром V, анодный ток — амперметром А).

Рис. 185

Рис. 186

Очевидно, что анодный ток можно усиливать, повышая анодное напряжение (с помощью потенциометра так как при этом будет возрастать скорость движения электронов в лампе. Однако возможности этого способа усиления тока ограничены. При некотором значении напряжения сила анодного тока достигает максимальной величины и при дальнейшем повышении напряжения останется постоянной, равной Это явление называется насыщенным, а ток током насыщения. Насыщение обусловлено тем, что все электроны, испускаемые за некоторый промежуток времени катодом, достигают анода за этот же промежуток времени.

При токе насыщения электронное облако полностью рассасывается. Описанная зависимость анодного тока от напряжения графически изображена на рис. 187. Аналитически эта зависимость (для участка кривой при условии выражается формулой Лэнгмюра — Богуславского

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

Рис. 187

Чтобы повысить ток насыщения, необходимо увеличить число электронов, испускаемых катодом в единицу времени. Для этого следует повысить температуру катода, увеличив ток накала. Кривая 2 на рис. 187 относится к более высокой температуре, чем кривая 1. Зависимость тока насыщения от температуры катода выражается теоретической формулой Ричардсона

где площадь катода, абсолютная температура катода, А — работа выхода электронов из катода, основание натуральных логарифмов, постоянная Больцмана, С — эмиссионная постоянная, теоретическое значение которой одинаково для всех металлов и равно

График (рис. 188), построенный на основании формулы (24), показывает, что (при высоких температурах) ток насыщения резко возрастает с повышением температуры.

Рис. 188

Подчеркнем, что ток через электронную лампу может идти только в одном направлении, т. е. только в том случае, когда анод соединен с положительным, а катод — с отрицательным полюсами анодной батареи (см. рис. 186). Если анод соединить с отрицательным полюсом батареи, то испускаемые катодом электроны отталкиваются анодом и возвращаются на катод; тока в цепи не будет — лампа «заперта». Таким образом, электронная лампа обладает односторонней (вентильной) проводимостью. На этом основано применение лампы в качестве выпрямителя переменного тока. Предназначенные для этой цели диоды называются кенотронами.

Одна из возможных схем кенотронного выпрямителя изображена на рис. 189. Являющийся обычно синусоидальным (см. § 106), переменный ток периода подается в первичную обмотку трансформатора Во вторичной обмотке возбуждается ток такого же периода. График этого тока представлен на рис. сила тока, время). Цепь вторичной обмотки трансформатора состоит из двух контуров 1421 и 3423. Крайние точки вторичной обмотки 1 и 3 попеременно, через каждый полупериод, приобретают положительный потенциал. Поэтому лампы будут «запираться» и «открываться» попеременно через каждый полупериод.

Рис. 189

Рис. 190

В результате на участках возникают токи противоположных направлений. Эти токи являются пульсирующими, имеющими полупериодные перерывы (рис. и в). На участке же ток идет все время и притом в одном направлении (используются оба полупериода). График этого выпрямленного тока представлен на рис. Описанный выпрямитель называется двухполупериодным. Каждый из контуров в отдельности представляет собой однополупериодный выпрямитель.

Рассмотрим теперь действие триода. Анодным током триода можно управлять посредством сетки, изменяя напряжение между сеткой и катодом (при неизменных анодном напряжении и токе накала). Для этого триод включается в цепь по схеме, изображенной на рис. 191. Сеточное напряжение создает между катодом и сеткой

Рис. 191

дополнительное электрическое поле, которое, накладываясь на основное поле (между анодом и катодом), будет ускорять или замедлять (в зависимости от знака заряда на сетке) движение электронов, испускаемых катодом, т. е. увеличивать или уменьшать анодный ток

В связи с тем что сетка расположена близко к катоду (ближе, чем анод), влияние сеточного напряжения на анодный ток преобладает над влиянием анодного напряжения Поэтому незначительное изменение сеточного напряжения вызывает значительное изменение анодного тока. При достаточно большом отрицательном заряде на сетке ее электрическое поле может оказаться сильнее анодного поля. В этом случае электроны, испускаемые катодом, не смогут попасть на анод и анодный ток прекратится (сетка «запирает» лампу).

Рис. 192

График зависимости анодного тока от сеточного напряжения, называемый сеточной характеристикой лампы, представлен на рис. 192. Ордината верхнего конца характеристики соответствует току насыщения. Отрицательная абсцисса соответствует сеточному напряжению, запирающему лампу. Средняя часть характеристики относится к диапазону анодных токов, соответствующих нормальной работе лампы (рабочая часть характеристики). В этом диапазоне изменение анодного тока связано с изменением сеточного напряжения приблизительно линейно. Чем больше крутизна рабочей части характеристики, тем резче возрастает анодный ток при повышении сеточного напряжения.

Рис. 193

Одним из важных применений триода является использование его в качестве усилителя слабых колебаний тока и напряжения. Принципиальная схема такого усилителя была дана на рис. 191. Если сеточное напряжение и сеточный ток претерпевают слабые колебания, то анодный ток будет совершать синхронные (одновременные) колебания такого же характера, но значительно усиленные (по амплитуде). Эти колебания можно еще раз усилить, подавая их на сетку второй лампы, затем на сетку третьей лампы и т. д. (многоступенчатое усиление). На рис. 193 изображены сильные колебания анодного тока воспроизводящие слабые колебания сеточного тока (по оси абсцисс отложено время

Другое важное применение триода — генерирование электромагнитных волн будет рассмотрено в § 112.