Частные уроки по физике

Двухэлектродная лампа
Двухэлектродная лампа (так называемый диод), впервые предложенная в 1904 г., является простейшей электронной лампой. У нее всего два электрода накаленный катод, служащий источником свободных электронов, и анод, к которому эти электроны движутся под действием приложенного напряжения.

Чем выше температура катода, тем больше начальная скорость электронов (средняя кинетическая энергия электронов равна 2kT, где k постоянная Больцмана), т. е. тем большее вдело их обладает сравнительно большими скоростями. Имея определенную начальную скорость, электроны даже при потенциале анода, немного меньшем потенциала катода, могут преодолевать тормозящее поле и долететь до анода, создавая в цепи анода небольшой величины "начальный" ток.

Величина ".начального" тока о зависит также от расстояния между анодам и катодом, а именно, чем ближе расположены они друг к другу, тем больше электронов попадает "а анод при отсутствии анодного напряжения. Тормозящий электроны отрицательный потенциал играет в этом случае роль как бы добавочной работы выхода для электронов, идущих из катода.

Рассмотрим, как изменяется потенциал между катодом и анодом, если последние представляют собой безграничные параллельные плоскости. Примем потенциал катода равным нулю, а потенциал анода равным Ua. Если катод не накален, то электронная эмиссия отсутствует, и распределение потенциала в междуэлектродном пространстве оказывается линейным (кривая ).

Если катод нагреть до высокой температуры, то из его поверхности начнут вылетать электроны, которые под действием приложенного анодного напряжения будут двигаться к аноду. Каждый электрон имеет элементарный отрицательный заряд ( е), поэтому все электроны, заполняющие междуэлектродное пространство, составляют распределенный в пространстве отрицательный пространственный или объемный заряд.

Этот отрицательный пространственный заряд понижает общий положительный потенциал между катодом и анодом. При этом распределение потенциала уже не останется линейным (кривая 2), но все же, если объемный заряд невелик, то во всех точках поля действует ускоряющее поле, под действием которого все электроны, покидающие поверхность катода, достигают поверхности анода.

В дальнейшем рассмотрении мы оставляем накал катода неизменным (число электронов, выходящих из катода, постоянно), и будем изменять только величину потенциала анода. Уменьшим потенциал анода (кривая 3) так, чтобы кривая распределения потенциала, искривляясь еще более, все же осталась еще всюду положительной, но касательной в начале координат.

В дальнейшем сопротивление катода возрастает и ток :падает, но в первый момент его необходимо как либо ограничить. Обычно для отграничения "пускового" тока последовательно с нитью макала включается сопротивление, которое может служить либо дли ручной регулировки тока накала лампы, либо действует автоматически и представляет собой специальный электровакуумный прибор термистер.

Поэтому режим работы катода необходимо поддерживать таким, чтобы температура эта выходила за пределы, допустимые для данного катода. Каждый из этих способов имеет свои преимущества я недостатки. Если требуется обеспечить отсутствие перекала катода при любых колебаниях анодного тока , то контролировать ток накала следует со стороны отрицательного конца катода, так как у положительного конца показание прибора всегда будет меньше .максимального тока накала на величину.

Если в процессе работы простого катода поддерживать напряжение накала постоянным, то к концу срока службы катод будет работать с недокалом. Хотя экономичность его при этом несколько понизится, зато срок, службы будет в 2,5 -5-3 раза больше, чем при .контроле по току накала. Учитывая это обстоятельство, предпочитают контролировать накал катодов по вольтметру. Рассмотрим теперь вопрос о питании катода переменным током.

Катод прямого накала может нагреваться переменным Фоком лишь в том случае, если он осуществлен в виде тол -стой массивной нити (например, в мощных генераторных и выпрямительных лампах). Такая нить, обладающая большой массой, имеет значительную тепловую инерцию, вследствие чего она медленно нагревается и медленно охлаждается. По этому при питании переменным током, падающим до нуля 100 раз в секунду, ее температура колеблется совершенно незначительно.

Такие массивные нити имеют эмиссию почти постоянной во времени величины, и питание их переменным током даже выгодно в том отношении, что при этом уже не имеет места опасный перегрев одного из концов катода под действием проходящего по нему анодного тока: концы нити перегреваются попеременно, вследствие периодического изменения направления тока накала катода, и общий перегрев катода оказывается незначительным.

При питании переменным током температура такой нити заметно изменяется с частотой питающего, тока, что вызывает колебания тока эмиссии. Ток эмиссии у таких катодов устанавливается не сразу, а через некоторое время, необходимое для того, чтобы разогреть всю массу катода до нужной рабочей температуры.

Задачей расчета катода любого типа является определение его размеров (диаметра и длины) и рабочей температуры, необходимой для получения заданного тока эмиссии при заданных напряжении или токе накала и сроке службы. Достаточно точный теоретический расчет существует пока только для однородного металлического (вольфрамового) катода.

Для сложных катодов, неоднородных по своему составу, законченного метода расчета пока нет. Чтобы подойти к расчету реального вольфрамового катода, удобно сначала ввести понятие об идеальном катоде. Идеальным катодом, для которого. была выведена, формула, принято считать катод, имеющий одинаковую температуру по всей длине.

Они даются обычно в виде таблиц или графиков, в которых приводятся также эффективность, удельная эмиссия и количество вещества, испаряющегося! с поверхности катода при данной температуре. Но в условиях действительной работы мы имеем дело с реальным катодом, распределение температуры, по длине которого неравномерно. Объясняется это тем, что держатели, в которых .катод закреплен (они же служат для пропускания тока накала), понижают (вследствие теплоотвода) температуру тех точек катода, с которыми они соприкасаются.

Максимальная температура получается в средней части нити, наиболее удаленной от держателей. Отсюда, следует, что при расчете реального катода нужно вводить поправки, которые учитывали бы влияние охлажденных концов. При расчете реального катода считают его рабочую температуру равной температуре в средней, наиболее накаленной части катода. Очевидно, что при этом не вся длина катода, а только часть ее будет участвовать в работе, давая нужный ток эмиссии.

Рабочей или эффективной длиной реального катода называется длима такого идеального катода, который, имея температуру, равную рабочей температуре реального катода, дает одинаковую с ним эмиссию. Зная параметры "единичного катода" (из таблиц) и учитывая поправки на охлажденные концы, можно теперь рассчитать реальный вольфрамовый катод. Существуют различные методы расчета, из которых мы рассмотрим наиболее удобный и простой.

Пусть заданы полный ток е эмиссии катода, напряжение накала Uf, срок службы т и требуется рассчитать катод, т. е. определить его геометрические размеры и рабочую температуру. Правая часть уравнения (9,8) вычисляется очень просто, так как все входящие в нее величины нам известны, как постоянные или заданные условиями расчета. Таким образом, определяется требуемое значение функции ЧГ (Г) и по нему необходимая температура катода.


Спонсор публикации: