До того, как в радиотехнике стали использовать полупроводниковые приборы, везде использовались электронные лампы.
Понятие вакуума
Электронная лампа представляла собой запаянный с обоих концов стеклянный тубус, в одном стороне которого располагался катод, а в другом анод. Из тубуса отчаливали газ до такого состояния, при котором молекулы газа могли пролететь от одной стенки до другой и при этом не столкнуться. Такое состояние газа называется вакуум . Другими словами вакуум - это сильноразреженный газ.
В таких условиях проводимость внутри лампы можно обеспечить только путем введения внутрь источника заряженных частиц. Для того, чтобы внутри лампы появились заряженные частицы пользовались таким свойством тел, как термоэлектронная эмиссия.
Термоэлектронная эмиссия – это явление испускания телом электронов, под действием высокой температуры. У очень многих веществ термоэлектронная эмиссия начинается при температурах, при которых еще не может начаться испарение самого вещества. В лампах из таких веществ делали катоды.
Электрический ток в вакууме
Катод потом нагревали, вследствие чего он начинал постоянно испускать электроны. Эти электроны образовывали вокруг катода электронное облако. При подключении к электродам источника питания, между ними образовывалось электрическое поле.
При этом, если положительный полюс источника соединить с анодом, а отрицательный с катодом, то вектор напряженности электрического поля будет направлен в сторону катода. Под действием этой силы, некоторые электроны вырываются из электронного облака и начинают двигаться к аноду. Тем самым они создают электрический ток внутри лампы.
Если же подключить лампу иначе, положительный полюс соединить с катодом, а отрицательный с анодом, то напряженность электрического поля будет направлена от катода к аноду. Это электрическое поле будет отталкивать электроны назад к катоду, и проводимости не будет. Цепь останется разомкнутой. Это свойство получило название односторонней проводимости .
Вакуумный диод
Раньше односторонняя проводимость широко использовалась в электронных приборах с двумя электродами. Такие приборы назывались вакуумными диодами . Они выполняли в свое время роль, которую выполняют сейчас полупроводниковые диоды.
Чаще всего использовались для выпрямления электрического тока. В данный момент вакуумные диоды практически нигде не применяются. Вместо них все прогрессивное человечество использует полупроводниковые диоды.
На этом уроке мы продолжаем изучение протекания токов в различных средах, конкретно, в вакууме. Мы рассмотрим механизм образования свободных зарядов, рассмотрим основные технические приборы, работающие на принципах тока в вакууме: диод и электронно-лучевая трубка. Также укажем основные свойства электронных пучков.
Результат опыта объясняется следующим образом: в результате нагревания металл из своей атомной структуры начинает испускать электроны, по аналогии испускания молекул воды при испарении. Разогретый металл окружает электронное облако. Такое явление называется термоэлектронной эмиссией.
Рис. 2. Схема опыта Эдисона
Свойство электронных пучков
В технике очень важное значение имеет использование так называемых электронных пучков.
Определение. Электронный пучок - поток электронов, длина которого много больше его ширины. Получить его довольно просто. Достаточно взять вакуумную трубку, по которой проходит ток, и проделать в аноде, к которому и идут разогнанные электроны, отверстие (так называемая электронная пушка) (рис. 3).
Рис. 3. Электронная пушка
Электронные пучки обладают рядом ключевых свойств:
В результате наличия большой кинетической энергии они имеют тепловое воздействие на материал, в который врезаются. Данное свойство применяется в электронной сварке. Электронная сварка необходима в тех случаях, когда важно сохранение чистоты материалов, например, при сваривании полупроводников.
- При столкновении с металлами электронные пучки, замедляясь, излучают рентгеновское излучение, применяемое в медицине и технике (рис. 4).
Рис. 4. Снимок, сделанный при помощи рентгеновского излучения ()
- При попадании электронного пучка на некоторые вещества, называющиеся люминофорами, происходит свечение, что позволяет создавать экраны, помогающие следить за перемещением пучка, конечно же, невидимого невооруженным глазом.
- Возможность управлять движением пучков с помощью электрических и магнитных полей.
Следует отметить, что температура, при которой можно добиться термоэлектронной эмиссии, не может превышать той температуры, при которой идет разрушение структуры металла.
На первых порах Эдисон использовал следующую конструкцию для получения тока в вакууме. В вакуумную трубку с одной стороны помещался проводник, включенный в цепь, а с другой стороны - положительно заряженный электрод (см. рис. 5):
Рис. 5
В результате прохождения тока по проводнику он начинает нагреваться, эмиссируя электроны, которые притягиваются к положительному электроду. В конце концов, возникает направленное движение электронов, что, собственно, и является электрическим током. Однако количество таким образом испускаемых электронов слишком мало, что дает слишком малый ток для какого-либо использования. С этой проблемой можно справиться добавлением еще одного электрода. Такой электрод отрицательного потенциала называется электродом косвенного накаливания. С его использованием количество движущихся электронов в разы увеличивается (рис. 6).
Рис. 6. Использование электрода косвенного накаливания
Стоит отметить, что проводимость тока в вакууме такая же, как и у металлов - электронная. Хотя механизм появления этих свободных электронов совсем иной.
На основе явления термоэлектронной эмиссии был создан прибор под названием вакуумный диод (рис. 7).
Рис. 7. Обозначение вакуумного диода на электрической схеме
Вакуумный диод
Рассмотрим подробнее вакуумный диод. Существует две разновидности диодов: диод с нитью накаливания и анодом и диод с нитью накаливания, анодом и катодом. Первый называется диодом прямого накала, второй - косвенного накала. В технике применяется как первый, так и второй тип, однако диод прямого накала имеет такой недостаток, что при нагревании сопротивлении нити меняется, что влечет за собой изменение тока через диод. А так как для некоторых операций с использованием диодов необходим совершенно неизменный ток, то целесообразнее использовать второй тип диодов.
В обоих случаях температура нити накаливания для эффективной эмиссии должна равняться 
.
Диоды используются для выпрямления переменных токов. Если диод используется для преобразования токов промышленного значения, то он называется кенотроном.
Электрод, расположенный вблизи испускающего электроны элемента, называется катодом (), другой - анодом (). При правильном подключении при увеличении напряжения растет сила тока. При обратном же подключении ток идти не будет вообще (рис. 8). Этим вакуумные диоды выгодно отличаются от полупроводниковых, в которых при обратном включении ток хоть и минимальный, но есть. Благодаря этому свойству вакуумные диоды используются для выпрямления переменных токов.
Рис. 8. Вольтамперная характеристика вакуумного диода
Другим прибором, созданным на основе процессов протекания тока в вакууме, является электрический триод (рис. 9). Его конструкция отличается от диодной наличием третьего электрода, называемого сеткой. На принципах тока в вакууме основан также такой прибор, как электронно-лучевая трубка, составляющий основную часть таких приборов, как осциллограф и ламповые телевизоры.
Рис. 9. Схема вакуумного триода
Электронно-лучевая трубка
Как уже было сказано выше, на основе свойств распространения тока в вакууме было сконструировано такое важное устройство, как электронно-лучевая трубка. В основе своей работы она использует свойства электронных пучков. Рассмотрим строение этого прибора. Электронно-лучевая трубка состоит из вакуумной колбы, имеющей расширение, электронной пушки, двух катодов и двух взаимно перпендикулярных пар электродов (рис. 10).
Рис. 10. Строение электронно-лучевой трубки
Принцип работы следующий: вылетевшие вследствие термоэлектронной эмиссии из пушки электроны разгоняются благодаря положительному потенциалу на анодах. Затем, подавая желаемое напряжение на пары управляющих электродов, мы можем отклонять электронный пучок, как нам хочется, по горизонтали и по вертикали. После чего направленный пучок падает на люминофорный экран, что позволяет нам видеть на нем изображение траектории пучка.
Электронно-лучевая трубка используется в приборе под названием осциллограф (рис. 11), предназначенном для исследования электрических сигналов, и в кинескопических телевизорах за тем лишь исключением, что там электронные пучки управляются магнитными полями.
Рис. 11. Осциллограф ()
На следующем уроке мы разберем прохождение электрического тока в жидкостях.
Список литературы
- Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) - М.: Мнемозина, 2012.
- Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Илекса, 2005.
- Мякишев Г.Я., Синяков А.З., Слободсков Б.А. Физика. Электродинамика. - М.: 2010.
- Physics.kgsu.ru ().
- Cathedral.narod.ru ().
Домашнее задание
- Что такое электронная эмиссия?
- Какие есть способы управления электронными пучками?
- Как зависит проводимость полупроводника от температуры?
- Для чего используется электрод косвенного накала?
- *В чем основное свойство вакуумного диода? Чем оно обусловлено?
Электрический ток в вакууме может проходить при условии, что в него будут помещены свободные носители заряда. Ведь вакуум это отсутствие, какого либо вещества. А значит, нет никаких носителей зарядов, чтобы обеспечить ток. Понятие вакуум можно определить так, когда длинна свободного пробега молекулы больше размеров сосуда.
Для того чтобы выяснить каким же образом можно обеспечить прохождение тока в вакууме проведем опыт. Для него нам понадобится электрометр и вакуумная лампа. То есть стеклянная колба с вакуумом, в которой находятся два электрода. Один, из которых выполнен в виде металлической пластины назовем его анод. А второй в виде проволочной спирали из тугоплавкого материала назовём его катод.
Подсоединим электроды лампы к электрометру таким образом, чтобы катод был подключён к корпусу электрометра, а анод к стержню. Сообщим заряд электрометру. Поместив положительный заряд на его стержень. Мы увидим, что заряд сохранится на электрометре, несмотря на наличие лампы. Это и не удивительно ведь между электродами в лампе нет носителей зарядов, то есть не может возникнуть ток, чтобы электрометр разрядился.
Рисунок 1 — вакуумная лампа, подключённая к заряженному электрометру
Теперь подключим к катоду в виде проволочной спирали источник тока. При этом катод разогреется. И мы увидим, что заряд электрометра начнет уменьшаться, пока совсем не исчезнет. Как же это могло произойти ведь в зазоре между электродами лампы небыли носителей заряда, чтобы обеспечить ток проводимости.
Очевидно, что носители заряда каким-то образом появились. А произошло это, потому что при нагревании катода в пространство между электродами эмитировались электроны с поверхности катода. Как известно в металлах есть свободные электроны проводимости. Которые способны перемещаться в объёме металла между узлами решётки. Но чтобы покинуть металл им недостаточно энергии. Так как их удерживают Кулоновские силы притяжения между положительными ионами решётки и электронами.
Электроны совершают хаотическое тепловое движение, перемещаясь по проводнику. Подходя к границе металла, где отсутствуют положительные ионы, они замедляются и в итоге возвращаются внутрь под действием силы Кулона, которая стремится приблизить два разноименный заряда. Но если металл подогреть, то тепловое движение усиливается, и электрон приобретает достаточно энергии чтобы покинуть поверхность металла.
При этом вокруг катода образуется так называемое электронное облако. Это электроны, вышедшие из поверхности проводника, и при отсутствии внешнего электрического поля они вернутся обратно в него. Так как, теряя электроны, проводник заряжается положительно. Это тот случай если бы мы сначала подогрели катод, а электрометр при этом был бы разряжен. Поле бы внутри при этом отсутствовало.
Но поскольку на электрометре есть заряд, он создает поле, которое заставляет двигаться электроны. Помните на аноде у нас положительный заряд к нему, и стремятся электроны под действием поля. Таким образом, в вакууме наблюдается электрический ток.
Если скажем, мы подключим электрометр наоборот, что при этом произойдет. Получится, что на аноде лампы будет отрицательный потенциал, а на катоде положительный. Все электроны, вылетевшие с поверхности катода, тут же вернутся обратно под действием поля. Поскольку катод теперь будет иметь еще больший положительный потенциал, он будет притягивать электроны. А на аноде будет избыток электронов отталкивающих электроны с поверхности катода.
Рисунок 2 — зависимость ток от напряжения для вакуумной лампы
Такая лампа называется вакуумный диод. Она способна пропускать ток только в одном направлении. Вольтамперная характеристика такой лампы состоит из двух участков. На первом участке выполняется закон Ома. То есть с увеличением напряжения все больше электронов вылетевших с катода долетают до анода и тем самым увеличивается ток. На втором участке все электроны, вылетевшие с катода, долетают до анода и с дальнейшим увеличением напряжения ток не увеличивается. Просто нет нужного количества электронов. Этот участок называется насыщением.
Вакуум – состояние разреженного газа, при котором длина свободного пробега молекул λ больше размеров сосуда d, в котором находится газ.
Из определения вакуума следует, что между молекулами практически отсутствует взаимодействие, поэтому ионизация молекул произойти не может, следовательноно, свободных носителей заряда в вакууме получить нельзя, поэтому - электрический ток в нем невозможен;
Чтобы создать электрический ток в вакууме, нужно в него поместить источник свободных заряженных частиц. В вакуум помещают металлические электроды, подключенные к источнику тока. Один из них нагревают (он называется катодом), в результате чего происходит процесс ионизации, т.е. из вещества вылетают электроны, образуются положительные и отрицательные ионы. Действие такого источника заряженных частиц может быть основано на явлении термоэлектронной эмиссии.
Термоэлектронная эмиссия – это процесс испускания электронов с нагретого катода. Явление термоэлектронной эмиссии приводит к тому, что нагретый металлический электрод непрерывно испускает электроны. Электроны образуют вокруг электрода электронное облако. Электрод заряжается положительно, и под влиянием электрического поля заряженного облака, электроны из облака частично возвращаются на электрод. В равновесном состоянии число электронов, покинувших электрод в секунду, равно числу электронов, возвратившихся на электрод за это время. Чем выше температура металла, тем выше плотность электронного облака. Работа, которую должен совершить электрон, чтобы покинуть металл, получила название работы выхода А вых.
[А вых ] = 1 эВ
1 эВ – это энергия, которую приобретает электрон, двигаясь в электрическом поле между точками с разностью потенциалов в 1 В.
1 эВ = 1,6*10 -19 Дж
Различие между температурами горячих и холодных электродов, впаянных в сосуд, из которого откачан воздух, приводит к односторонней проводимости электрического тока между ними.
При подключении электродов к источнику тока между ними возникает электрическое поле. Если положительный полюс источника тока соединен с холодным электродом (анодом), а отрицательный – с нагретым (катодом), то вектор напряженности электрического поля направлен к нагретому электроду. Под действием этого поля электроны частично покидают электронное облако и движутся к холодному электроду. Электрическая цепь замыкается, и в ней устанавливается электрический ток. При противоположной полярности включения источника, напряженность поля направлена от нагретого электрода к холодному. Электрическое поле отталкивает электроны облака назад к нагретому электроду. Цепь оказывается разомкнутой.
Устройство, которое обладает односторонней проводимостью электрического тока называется вакуумный диод. Состоит из электронной лампы (сосуда), из которой выкачан воздух и в котором находятся электроды, подключенные к источнику тока. Вольтамперная характеристика вакуумного диода. Подписать участки ВАХ пропускной режим диода и закрытый?? При малых напряжениях на аноде не все электроны, испускаемые катодом, достигают анода, и электрический ток небольшой. При больших напряжениях ток достигает насыщения, т.е. максимального значения. Вакуумный диод используется для выпрямления переменного электрического тока. В настоящее время вакуумные диоды практически не применяются.
Если в аноде электронной лампы сделать отверстие, то часть электронов, ускоренных электрическим полем, пролетит в это отверстие, образуя за анодом электронный пучок. Электронный пучок – это поток быстро летящих электронов в электронных лампах и газоразрядных устройствах.
Свойства электронных пучков:
- отклоняются в электрических полях;
- отклоняются в магнитных полях под действием силы Лоренца;
- при торможении пучка, попадающего на вещество возникает рентгеновское излучение;
- вызывает свечение (люминисценцию) некоторых твердых и жидких тел;
- нагревают вещество, попадая на него.
Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ).
В ЭЛТ используются явления термоэлектронной эмиссии и свойства электронных пучков.
В электронной пушке электроны, испускаемые подогреваемым катодом, проходят через управляющий электрод-сетку и ускоряются анодами. Электронная пушка фокусирует электронный пучок в точку и изменяет яркость свечения на экране. Отклоняющие горизонтальные и вертикальные пластины позволяют перемещать электронный пучок на экране в любую точку экрана. Экран трубки покрыт люминофором, который начинает светиться при бомбардировке его электронами.
Существуют два вида трубок:
1) с электростатическим управлением электронного пучка (отклонение эл. пучка только лишь электрическим полем);
2) с электромагнитным управлением (добавляются магнитные отклоняющие катушки).
В электронно-лучевых трубках формируются узкие электронные пучки, управляемые электрическими и магнитными полями. Эти пучки используются в: кинескопах телевизоров, дисплеях ЭВМ, электронных осциллографах в измерительной технике.
Электрический ток может образоваться не только в металлах, но и в вакууме, например в радиолампах, в электронно-лучевых трубках. Выясним природу тока в вакууме.
В металлах имеется большое количество свободных, беспорядочно движущихся электронов. Когда электрон подходит к поверхности металла, то силы притяжения, действующие на него со стороны положительных ионов и направленные внутрь, препятствуют выходу электрона из металла. Работа, которую надо совершить для удаления электрона из металла в вакууме, называется работой выхода. Для разных металлов она различна. Так, для вольфрама она равна 7,2*10 -19 дж. Если энергия электрона меньше работы выхода, он не может покинуть металл. Много электронов даже при комнатной температуре, энергия которых не намного больше работы выхода. Покинув металл, они удаляются от него на небольшое расстояние и под действием сил притяжения ионов возвращаются в металл, в результате чего вблизи поверхности образуется тонкий слой выходящих и возвращающихся электронов, находящихся в динамическом равновесии. Вследствие потери электронов поверхность металла заряжается положительно.
Чтобы электрон покинул металл, он должен совершить работу против сил отталкивания электрического поля электронного слоя и против сил электрического поля положительно заряженной поверхности металла (рис. 85. а). При комнатной температуре почти нет электронов, которые могли бы выйти за двойной заряженный слой.
Чтобы электроны могли вылететь за пределы двойного слоя, им надо иметь энергию намного больше, чем работа выхода. Для этого извне электронам сообщается энергия, например нагреванием. Испускание электронов нагретым телом называется термоэлектронной эмиссией. Она является одним из доказательств наличия свободных электронов в металле.
Явление термоэлектронной эмиссии можно наблюдать на таком опыте. Зарядив электрометр положительно (от наэлектризованной стеклянной палочки), соединим его проводником с электродом А демонстрационной вакуумной лампы (рис. 85, б). Электрометр не разряжается. Замкнув цепь, накалим нить К. Видим, стрелка электрометра опадает - электрометр разряжается. Электроны, испускаемые накаленной нитью, притягиваются положительно заряженным электродом А и нейтрализуют его заряд. Поток термоэлектронов от нити накала к электроду А под действием электрического поля образовал электрический ток в вакууме.
Если электрометр зарядить отрицательно, то он в таком опыте разряжаться не будет. Вылетающие из нити накала электроны теперь не притягиваются электродом А, а наоборот, отталкиваются от него и возвращаются обратно к нити накала.
Соберем электрическую цепь (рис. 86). При ненагретой нити К цепь между ней и электродом А разомкнута - стрелка гальванометра стоит на нуле. В его цепи тока нет. Замкнув ключ, нагреем нить накала. По цепи гальванометра пошел ток, так как термоэлектроны замкнули цепь между нитью накала и электродом А, образовав тем самым электрический ток в вакууме. Электрический ток в вакууме есть направленный поток электронов под действием электрического поля. Скорость направленного движения электронов, образующих ток в вакууме, в миллиарды раз больше скорости направленного движения электронов, образующих ток в металлах. Так, скорость потока электронов у анода ламп радиоприемника достигает нескольких тысяч километров в секунду.
