Електрон, відкритий в самому кінці минулого століття, до сих пір є об'єктом наукових досліджень, які відкривають все нові й нові його властивості. Вже давно встановлено, що електрон має негативним зарядом е = 1,6 • 10-19 до масою спокою т = 9 • 10-28 г1.

Уявімо собі простір між двома плоскими пластинами (електродами) в евакуйованому скляному балоні (рис. 8-1). Нагадаємо, що евакуювати або створити вакуум в балоні – значить відкачати з нього Повітряний спеціальними насосами; для хімічного поглинання газів, які можуть виділитися всередині балона лампи при її експлуатації, служать поглиначі (геттер), наприклад барій, розпорошується усередині балона при виготовленні лампи і утворює наліт на внутрішній поверхні скла.

Уявімо собі далі, що ще до відкачування балона до пластин були підведені провідники, упаяні в скло і службовці висновками від пластин назовні. Поза балона до одного провіднику приєднаний позитивний, а до іншого негативний полюс батареї. Тоді пластина, поєднана з «плюсом», набуває назва анод, а поєднана з «мінусом» – катод.

Нехай всередину балона з поверхні катода вилітає електрон, що має зневажливо малу початкову швидкість. Він потрапляє під дію електричного поля, яке на рис. 8-1 зображено у вигляді силових ліній, спрямованих від анода до катода. Електрон притягається до анода з постійною силою.

Легко обчислити цю силу. Якщо поле між анодом і катодом вважати однорідним, то його напруженість

де d – Відстань між електродами. Але електричне поле впливає на електрон з силою, рівною (за законом Кулона) твору його заряду на напруженість поля, т. е.

F = її,

причому ця сила спрямована назустріч полю. Електрон почне рух знизу вгору, набуваючи прискорення, яке відповідно до другого законом Ньютона дорівнює відношенню сили до маси;

Рух виявиться рівномірно прискореним, отже, при русі електрона буде зростати його швидкість і разом з нею

1 При великих швидкостях маса електрона зростає, проте швидкості, яких досягають електрони в електровакуумних приладах, значно менше швидкості світла, і в цих умовах масу електрона можна вважати постійною »кінетична енергія, яка до кінця шляху набуде значення

 

де v – Швидкість в кінці шляху d.

Енергія, придбана електроном при русі в ускоряющем поле, дорівнює роботі, яка витрачена електричним полем, тобто в кінці кінців батареєю. Робота обчислюється як добуток сили на шлях:

W = Fd — eEd = eU.

Прирівнявши енергію, витрачену полем, до енергії, придбаної електроном, напишемо основне рівняння руху електрона в електричному полі:

 

звідки знайдемо швидкість електрона в кінці шляху

 

Знаючи, що відношення заряду електрона до його маси в прийнятих нами умовах – величина постійна, і висловлюючи швидкість в практичних одиницях (Км / сек), отримуємо:

(8-1)

Так, якщо напруга між електродами U = 100 в, то швидкість електрона в кінці шляху виявиться 6000 км / сек, що, як ми бачимо, набагато нижче швидкості світла (300 000 км / сек).

Легко визначити і час прольоту електрона від катода до анода, знаючи відстань d між ними. Відомо, що середня швидкість рівномірно прискореного руху vср = v/2. Тому час t = d/vcp. Наприклад, якщо в зазначеному вище випадку d = 1 см (Тобто 10-5 км), То час прольоту виявиться t = 2d/v ~= 2 • 10-6/6 • 108 = 1/3 • 10-8 сек, тобто приблизно 0,003 мксек. Цей час виявився рівним періоду радіохвилі довжиною в 1 м.

Отже, поле, яке прискорює рух електрона, здійснює роботу, що збільшує кінетичну енергію електрона. При ударі об поверхню анода кінетична енергія електрона перетворюється на теплову: удари електронів нагрівають анод.

Розглянемо другий випадок руху електрона в тому ж балоні. Припустимо, що електрон, що знаходився поблизу від поверхні анода, отримав поштовх у напрямку до катода. Початкова швидкість електрона виявилася спрямованої назустріч діючої на нього електричної силі. Тоді поле виявиться не пришвидшує, а гальмуючим рух електрона; електрон буде рухатися рівномірно сповільнено. Енергія, яку придбав електрон в момент початкового поштовху, буде витрачатися при його русі в гальмуючому поле: електрон в цьому випадку віддає енергію електричному полю. Можливий і такий випадок: не досягнувши катода, електрон витратить всю свою енергію, зупиниться, а потім почне рухатися назад до аноду, рівномірно прискорюючись.

Третій характерний випадок – поштовх, повідомлений електрону в напрямку, поперечному до поля. Рух виявиться непрямолінійний: електрон ухилиться від поперечного шляху в напрямку до анода, причому ступінь відхилення буде залежати як від початкової швидкості електрона, так і від нарряженіості електричного поля = U/d).

Такі найпростіші випадки пзлімодействія між електроном і електричним полем, Взаємодія завжди проявляється у зміні швидкості електрона н в обміні енергією між електроном і полем, створеним анодної батареєю. У ускоряющем полі електрон набуває енергію від батареї, а п гальмує полі він віддає енергію батареї. Якби електрон рухався не у вакуумі, а в просторі, заповненому газом, то описані нами процеси порушилися б через зіткнення електрона з молекулами газу. Про взаємодію ж електрона з магнітним полем буде сказано нижче.

Тепер уявімо собі, що поблизу від катода електрони з'являються безперервно і під дією електричного поля рухаються до аноду. Тоді у вакуумі та в ланцюзі батареї встановиться електричний струм, величина якого визначиться числом електронів, долітали до анода за секунду. Так, якщо за секунду через балон пролітає приблизно 7 • 1012 електронів, то струм складе 1 мка. Напрямок струму до цих пір прийнято вказувати зворотним напрямком руху електронів.

Можна створити умови встановлення і підтримки струму у вакуумному приладі, вибравши катод, який має властивості емісії (висилки) електронів зі своєї поверхні. Такий катод можна назвати «емітером» (Висилається електронний); анод ж можна назвати «колектором» (збирає електрони). Втім, найменування «емітер» і «колектор» найчастіше застосовуються в напівпровідникових приладах.

Для того щоб створити помітний струм у вакуумі, вплив на катод однієї напруги виявляється недостатнім, тому що електрони можуть вільно виходити з металу катода за його поверхню. Річ у тому, що атоми металу, від яких відокремилися електрони, стають позитивними іонами, вони притягують всередину металу кожен електрон, що виходить за поверхню. Лише при досить великою початковою швидкості вильоту електрон здатний відірватися від металу. Емісія електронів з поверхні катода може значно підвищитися, якщо електронам в металі повідомити додаткову енергію.

Є три практично використовуваних способу підвищення енергії електронів в провіднику: нагрівання, що створює термоелектронної емісію; опромінення поверхні проаод-ника світлом, що створює фотоелектронну емісію; бомбардування поверхні провідника ззовні електронами, які мають велику швидкість і створюють вторинну електронну емісію. У більшості типів радіоламп використовується термоелектронна емісія. Катод нагрівається електричним струмом, як нитка в лампі розжарювання; саме тому електровакуумні прилади і називаються лампами. Для нагрівання катода повинен бути самостійний джерело струму.

Підвищення температури металу збільшує середню енергію руху електронів у всій масі металу, і значне число електронів набуває швидкість, достатню для виходу в навколишній простір. Чисті метали дають помітну емісію лише при температурах в декілька тисяч градусів. Такий нагрів витримують тугоплавкі метали, наприклад вольфрам, який широко застосовується для катодів радіоламп.

В якості найпростішого прикладу радіолампи (електровакуумного приладу з термоелектронної емісією) розглянемо діод (лампу з двома електродами), що застосовується для випрямлення змінного струму, детектування та виконання інших функцій в радіоапаратурі.

У скляному евакуйованому балоні (рис. 8-2, а) укріплені два електроди – анод і катод. Анод виконаний у цьому прикладі у вигляді металевого циліндра, розташованого горизонтально і має висновок вгору крізь скло. Циліндрична форма зручніше, ніж плоска, в сенсі охоплення катода; але можливі й інші форми.

Рис. 8-2. Пристрій і включення діода.

а – Найпростіша конструкція діода; б – діод в схемі?

в – Регулювання напруження.

Катод у вигляді нитки напруження, що проходить по осі циліндра, має два висновки, які підключаються до батареї напруження. Електроди лампи прийнято позначати на схемах, як показано на рис. 8-2, б.

Обидва виведення катода (нитки розжарення) підключаються до самостійної батареї напруження Бн. Ток цієї батареї, що проходить по нитці, нагріває її до температури, при якій досягається достатня емісія електронів. У разі необхідності встановлювати точно задану температуру нитки до її затискачів підключають вольтметр напруження V і реостат R (Відповідно до схеми на рис. 8-2, в).

Між анодом і одним із затискачів катода включена анодна батарея Ба з дотриманням полярності, що забезпечує тяжіння електронів до аноду. Анодний струм вимірюється миллиамперметром mA, Включеним в ланцюг анода; величина струму дорівнює сумі зарядів електронів, що досягають анода протягом секунди. Ланцюг анодного струму йде від плюса анодної батареї Бa до анода, потім від анода до катода в евакуйованому просторі, далі по катоду до загальної точки Про батарей і до мінуса батареї Ба (Рис. 8-2, б). Напрямок анодного струму Iа показано зворотним напрямком руху електронів.

Якби полярність анодної батареї ми змінили і анод виявився по відношенню до катода негативним, то електричне поле стало б не. Пришвидшує, а гальмуючим і рух електроновк аноду припинилося б. Це і дає можливість застосовувати діод як випрямляч змінного струму.

Звернемося до пристрою катодів. Для кожного металу, в тому числі і для вольфраму, при допустимій температурі еміттіруєт певне (в середньому) число електронів з квадратного міліметра. Отже, розміри катода повинні бути такими, щоб з його поверхні був отриманий необхідний струм емісії. Чим більший анодний струм хочемо ми отримати, тим більші розміри повинен мати катод; відповідно припадає затрачати ббльшую потужність на його нагрівання (необхідна, але не корисна витрата потужності).

Чистий вольфрам в цьому відношенні неекономічний. Його доводиться нагрівати до такої температури (не менше 2 200 ° С), при якій метал випаровується і катод служить недовго (в середньому до 1 000 ч). Лише в дуже потужних лампах перегорілі вольфрамові катоди можна заміняти, і вони там знаходять застосування.

Щоб знизити робочу температуру катода, зберігши хорошу емісію електронів, необхідно полегшити вихід електронів з металу. З цією метою катод покривають шаром іншого металу товщиною в один атом. Контактна різниця потенціалів двох металів частково компенсує гальмує дію поверхні основного металу і сприяє вильоту електронів. Тому покриття катода називають його активацією.

Серед активують покриттів можна вказати торій, яким покривається спеціально оброблена вуглецем (карбідірованная) поверхня вольфрамової нитки. Торійований карбідірованние катоди мають робочу температуру не вище 1 700 ° С (жовте каління) і застосовуються найчастіше в лампах для радіопередавачів середньої потужності. Лампа з таким катодом може вийти з ладу не в результаті перегорання нитки, а внаслідок руйнування активуючого покриття; в таких випадках кажуть, що лампа «втрачає емісію».

Іншим активує покриттям можуть бути оксиди (оксиди) металів барію або стронцію, які наносяться не на вольфрам, а на нікель. Активує шар металу виділяється з оксидів при термічній обробці катода. Оксидні катоди працюють при температурі близько 800 ° С (вишнево-червоне каління). Вони мають запас активуючого металу в оксидах і тому менш чутливі до перепалив і довговічніші (5 000 ч і більше). Крім того, вони здатні віддати підвищену емісію при короткочасних включеннях напруг (імпульсна робота).

Проте всі ці катоди безпосереднього (прямого) напруження майже не зустрічаються у радіомовній приймально-підсилювальної апаратури, що живиться від мережі змінного струму. Справа в тому, що якщо нитка прямого напруження живити змінним струмом, то загальна точка Про (Див. рис. 8-2, б) поперемінно виявляється під позитивним і негативним потенціалом відносно середини нитки, а тому змінюється (пульсує) і анодна напруга, чим може створитися низькочастотний звук (фон) в гучномовця приймача.

Набагато більш широко в радіоприймальної та телевізійної апаратури застосовуються лампи з катодами, які харчуються змінним струмом, але мають незмінний потенціал по відношенню до анода (еквіпотенціальні катоди). У них нитку розжарення не призначена для емісії; вона лише нагріває крізь ізоляцію відокремлений від неї катод. Такі катоди називаються подогревним або катодами косвенногонакала.

 

Рис. 8-3. Пристрій катода непрямого розжарення.

Ескіз катода непрямого розжарення (з вирізом частини стінки) зображений на рис. 8-3. Власне катод являє собою металеву трубку 1, на поверхню якої нанесений шар оксидів 2, містять барій. Всередині трубки поміщена згорнута петля нитки розжарення 3, покрита теплостійкі шаром алунда 4 (Ізоляційний матеріал на основі окису алюмінію). Можуть зустрічатися і такі конструкції подогревним катодів, в яких підігрівач виконаний у вигляді плоскої спіралі, а катод являє собою плоский циліндр, закритий з одного торця оксидованим дном.

На рис. 8-4 дана схема ланцюгів діода з катодом непрямого напруження, причому зазначено харчування ланцюга розжарення змінним струмом. Іноді на відміну від цього малюнка катод з'єднується з одним з кінців нитки, а проте завжди ланцюг напруження і анодна ланцюг відокремлені одна від іншої, тобто не мають спільної ділянки. Отже, змінну напругу напруження не впливає на анод. Разом з тим масивний подогревним катод, що володіє тепловою інерцією, забезпечує сталість своєї середньої температури при змінному струмі розжарення.

 

Природно, що при нагріванні катода ниткою через ізоляцію економічність напруження зменшується. При живленні від мережі змінного струму питання економічності напруження не ставиться так гостро, як при батарейному харчуванні переносної апаратури. Після включення масивні катоди «подогревним» ламп вимагають кілька секунд на розігрів до нормальної (емісійної) температури. У схемах, що не мають з'єднання катода з ниткою, іноді доводиться створювати напругу між ними; це напруга не повинна перевищувати сотні вольт, тому що при великих значеннях може статися пробій алундовой ізоляції.

Лампи непрямого напруження з добре відпрацьованою технологією виробництва мають термін служби 5 000 год і більше.