Двухэлектродная лампа

Двухэлектродная лампаПро­стейшей электронной лампой являет­ся вакуумный диод. Он представляет собой вакуумированный баллон, обычно стеклянный, в котором нахо­дятся два электрода — анод и катод. Катодом лампы служит проволочная спираль с двумя выводами для подключения к источнику тока либо цилиндр из тонкой фольги, внутри которого находится спиральная нить накала. Второй электрод – анод – представляет собой металлический диск, находящийся над катодом, ли­бо цилиндр, на оси которого находит­ся катод.

При подключении выводов нити накала к источнику тока катод нагре­вается, и с его поверхности испуска­ются свободные электроны. При отсутствии электрического поля между катодом и анодом лишь небольшая часть электронов, испускаемых като­дом, достигает анода. Большинство вылетающих из катода электронов возвращаются на катод под действи­ем сил электростатического отталки­вания со стороны электронов, ранее вылетевших с катода и образующих вокруг него «электронное облако». При подключении положительно­го полюса источника постоянного то­ка к аноду и отрицательного полюса к катоду электроны, испускаемые на­гретым катодом, движутся под дейст­вием электрического поля через ва­куум к аноду — в цепи течет электри­ческий ток.

Для управления действием элект­ронных приборов необходимо знать зависимость силы тока от приложен­ного напряжения. Рассмотрим снача­ла случай, когда число электронов, вылетающих из катода, невелико, так что они не взаимодействуют друг с другом. Тогда все электроны, ис­пускаемые катодом, попадают на анод независимо от значения напря­жения на электродах. В этом случае сила тока определяется только чис­лом электронов, испускаемых като­дом, и не зависит от напряжения между электродами.

Проверим это на опыте. Меняя с помощью реостата R1 силу тока в нити накала, можно менять ее темпе­ратуру.

В начале опыта накалим нить до сравнительно невысокой темпера­туры и приложим небольшое напря­жение между электродами. Включен­ный в цепь миллиамперметр пока­жет, что в цепи течет небольшой ток. Увеличивая напряжение между катодом и анодом при помощи потен­циометра R2, можно убедиться, что сила тока при этом не растет. Значит, уже при небольшом напряжении, с которого мы начали опыт, все элект­роны, испускаемые катодом, достига­ют анода. Ток, который не изменя­ется с ростом напряжения, называет­ся током насыщения.

При высокой температуре нити накала (обычный режим работы ламп) эмиссия электронов велика и, следовательно, сила тока в цепи зна­чительна. В этом случае можно за­метить, что сила тока зависит от напряжения. Опыт показывает, что вначале, пока напряжение мало, сила тока растет с увеличением анодно­го напряжения. Когда же анодное напряжение достигает некоторого значения, вполне определенного для данной температуры нити накала, сила тока перестает расти с увеличе­нием напряжения: наступает явление насыщения тока.

График зависимости силы тока от напряжения, полученный в рассмот­ренном опыте. Этот график называется вольт-амперной характеристикой ва­куумного диода.

Рассмотрим отдельные участки графика. Почему при малых напря­жениях (участок ОА) сила тока име­ет значение меньшее, чем при насы­щении? Ведь катод при данной тем­пературе ежесекундно испускает од­но и то же число электронов, неза­висимо от приложенного напряже­ния. Почему же при малом напряже­нии не все они достигают анода? Это объясняется тем, что при большом числе испускаемых катодом электронов вылетевшие ранее элект­роны отталкивают те, которые сле­дуют за ними. Поэтому часть элект­ронов возвращается назад на катод, и вокруг катода имеется электрон­ное облако.

При малом напряжении между электродами анода достигает лишь часть электронов. По мере увеличения анодного напряжения все большее число вылетающих электро­нов может преодолеть силы оттал­кивания и достигнуть анода. Сила тока увеличивается, и электронное облако постепенно рассасывается. Нужно вполне определенное напря­жение, чтобы все электроны, вылетающие из катода, достигли анода. Дальнейшее увеличение напряжения уже не может вызвать роста силы тока: наступает насыщение.

Чем выше температура катода, тем больше число электронов, вылетающих еже­секундно из него, тем больше, следо­вательно, сила тока насыщения.

Через диод ток может протекать только тогда, когда нить накала яв­ляется катодом. При перемене полю­сов источника тока ток в цепи пре­кращается. Поэтому вакуумный диод, включенный в цепь переменного тока, превращает переменный ток в ток постоянного направления. Это свойство диода широко используется и технике в кенотронных выпрямите­лях.