До того, як у радіотехніці почали використовувати напівпровідникові прилади, скрізь використовувалися електронні лампи.

Поняття вакууму

Електронна лампа була запаяний з обох кінців скляний тубус, в одному боці якого розташовувався катод, а в іншому анод. З тубуса відправлялися газ до такого стану, при якому молекули газу могли пролетіти від однієї стінки до іншої і при цьому не зіткнутися. Такий стан газу називається вакуум. Тобто вакуум - це сильнорозріджений газ.

У таких умовах провідність усередині лампи можна забезпечити лише шляхом введення всередину джерела заряджених частинок. Для того, щоб усередині лампи з'явилися заряджені частинки, користувалися такою властивістю тіл, як термоелектронна емісія.

Термоелектронна емісія – явище випромінювання тілом електронів, під впливом високої температури. У багатьох речовин термоелектронна емісія починається при температурах, при яких ще не може початися випаровування самої речовини. У лампах із таких речовин робили катоди.

Електричний струм у вакуумі

Катод потім нагрівали, внаслідок чого він починав постійно випускати електрони. Ці електрони утворювали навколо катода електронну хмару. При підключенні до електродів джерела живлення між ними утворювалося електричне поле.

При цьому якщо позитивний полюс джерела з'єднати з анодом, а негативний з катодом, то вектор напруженості електричного поля буде направлений у бік катода. Під дією цієї сили деякі електрони вириваються з електронної хмари і починають рухатися до анода. Тим самим вони створюють електричний струмвсередині лампи.

Якщо підключити лампу інакше, позитивний полюс з'єднати з катодом, а негативний з анодом, то напруженість електричного поля буде спрямована від катода до анода. Це електричне поле відштовхуватиме електрони назад до катода, і провідності не буде. Ланцюг залишиться розімкненим. Ця властивість отримала назву односторонньої провідності.

Вакуумний діод

Раніше одностороння провідність широко використовувалася в електронних приладах із двома електродами. Такі прилади називалися вакуумними діодами. Вони виконували свого часу роль, яку виконують нині напівпровідникові діоди.

Найчастіше використовувалися для випрямлення електричного струму. На даний момент вакуумні діоди практично ніде не застосовуються. Натомість усе прогресивне людство використовує напівпровідникові діоди.

Перед тим, як говорити, яким механізмом поширюється електричний струм у вакуумі, необхідно зрозуміти, що ж це за середовище.

Визначення.Вакуум – стан газу, у якому вільний пробіг частки більше розміру судини. Тобто такий стан, при якому молекула чи атом газу пролітає від однієї стінки судини до іншої, не стикаючись з іншими молекулами чи атомами. Існує також поняття глибини вакууму, яке характеризує ту малу кількість частинок, яка завжди залишається у вакуумі.

Для існування електричного струму потрібна наявність вільних носіїв заряду. Звідки вони беруться у сфері простору з дуже малим вмістом речовини? Для відповіді це питання необхідно розглянути досвід, проведений американським фізиком Томасом Едісоном (рис. 1). У ході експерименту дві пластини поміщалися у вакуумну камеру і замикалися її межами в ланцюг з включеним електрометром. Після того, як одну пластину нагрівали, електрометр показував відхилення від нуля (рис. 2).

Результат досвіду пояснюється так: в результаті нагрівання метал зі своєї атомної структури починає випускати електрони, за аналогією випромінювання молекул води при випаровуванні. Розігрітий метал оточує електронне озеро. Таке явище називається термоелектронною емісією.

Мал. 2. Схема досвіду Едісона

У техніці дуже важливе значення має використання про електронних пучків.

Визначення.Електронний пучок – потік електронів, довжина якого набагато більша за його ширину. Отримати його досить легко. Достатньо взяти вакуумну трубку, по якій проходить струм, і виконати в аноді, до якого йдуть розігнані електрони, отвір (так звана електронна гармата) (рис. 3).

Мал. 3. Електронна гармата

Електронні пучки мають ряд ключових властивостей:

Внаслідок наявності великої кінетичної енергії вони мають теплову дію на матеріал, у який врізаються. Ця властивість застосовується в електронному зварюванні. Електронне зварювання необхідне в тих випадках, коли важливим є збереження чистоти матеріалів, наприклад, при зварюванні напівпровідників.

При зіткненні з металами електронні пучки, сповільнюючись, випромінюють рентгенівське випромінювання, що застосовується в медицині та техніці (рис. 4).

Мал. 4. Знімок, зроблений за допомогою рентгенівського випромінювання ()

При попаданні електронного пучка на деякі речовини, що називаються люмінофорами, відбувається свічення, що дозволяє створювати екрани, що допомагають стежити за переміщенням пучка, звичайно ж, невидимого неозброєним оком.

Можливість керувати рухом пучків за допомогою електричних та магнітних полів.

Слід зазначити, що температура, коли можна домогтися термоелектронної емісії, неспроможна перевищувати тієї температури, коли він йде руйнація структури металу.

Спочатку Едісон використовував наступну конструкцію для отримання струму у вакуумі. У вакуумну трубку з одного боку поміщався провідник, включений у ланцюг, з другого боку – позитивно заряджений електрод (див. рис. 5):

В результаті проходження струму провідником він починає нагріватися, емісуючи електрони, які притягуються до позитивного електрода. Зрештою, виникає спрямоване рух електронів, що, власне, є електричним струмом. Однак кількість електронів, що таким чином випускаються, занадто мало, що дає занадто малий струм для будь-якого використання. З цією проблемою можна впоратися додаванням ще одного електрода. Такий електрод негативного потенціалу називається електродом непрямого розжарювання. З його використанням кількість електронів, що рухаються, в рази збільшується (рис. 6).

Мал. 6. Використання електроду непрямого розжарювання

Варто відзначити, що провідність струму у вакуумі така сама, як і у металів – електронна. Хоча механізм появи цих вільних електронів зовсім інший.

На основі явища термоелектронної емісії було створено прилад під назвою вакуумний діод (рис. 7).

Мал. 7. Позначення вакуумного діода на електричній схемі

Розглянемо докладніше вакуумний діод. Існує два різновиди діодів: діод з ниткою розжарювання та анодом і діод з ниткою розжарювання, анодом та катодом. Перший називається діодом прямого розжарення, другий – непрямого розжарення. У техніці застосовується як перший, так і другий тип, проте діод прямого розжарення має такий недолік, що при нагріванні опору нитки змінюється, що тягне зміну струму через діод. Оскільки для деяких операцій з використанням діодів необхідний абсолютно постійний струм, то доцільніше використовувати другий тип діодів.

В обох випадках температура нитки розжарювання для ефективної емісії повинна дорівнювати .

Діоди використовуються для випрямлення змінних струмів. Якщо діод використовується для перетворення струмів промислового значення, він називається кенотроном.

Електрод, розташований поблизу елементи, що випускає електрони, називається катодом (), інший – анодом (). При правильному підключенні зі збільшенням напруги зростає сила струму. При зворотному підключенні струм йти взагалі (рис. 8). Цим вакуумні діоди вигідно відрізняються від напівпровідникових, у яких при зворотному включенні струм хоч і мінімальний, але є. Завдяки цій властивості вакуумні діоди використовуються для випрямлення змінних струмів.

Мал. 8. Вольтамперна характеристика вакуумного діода

Іншим приладом, створеним з урахуванням процесів протікання струму у вакуумі, є електричний тріод (рис. 9). Його конструкція відрізняється від діодної наявністю третього електрода, що називається сіткою. На принципах струму у вакуумі заснований такий прилад, як електронно-променева трубка, що становить основну частину таких приладів, як осцилограф і лампові телевізори.

Мал. 9. Схема вакуумного тріода

Як уже було сказано вище, на основі властивостей поширення струму у вакуумі було сконструйовано такий важливий пристрій, як електронно-променева трубка. В основі своєї роботи вона використовує властивості електронних пучків. Розглянемо будову цього приладу. Електронно-променева трубка складається з вакуумної колби, що має розширення, електронної гармати, двох катодів та двох взаємно перпендикулярних пар електродів (рис. 10).

Мал. 10. Будова електронно-променевої трубки

Принцип роботи наступний: електрони, що вилетіли внаслідок термоелектронної емісії з гармати, розганяються завдяки позитивному потенціалу на анодах. Потім, подаючи бажану напругу на пари електродів, що управляють, ми можемо відхиляти електронний пучок, як нам хочеться, по горизонталі і по вертикалі. Після чого спрямований пучок падає на люмінофорний екран, що дозволяє бачити на ньому зображення траєкторії пучка.

Електронно-променева трубка використовується в приладі під назвою осцилограф (рис. 11), призначеному для дослідження електричних сигналів, і в кінескопічних телевізорах за тим винятком, що там електронні пучки управляються магнітними полями.

На наступному уроці ми розберемо проходження струму в рідинах.

Список літератури

1. Тихомирова С.А., Яворський Б.М. Фізика ( базовий рівень) - М.: Мнемозіна, 2012.
2. Генденштейн Л.Е., Дік Ю.І. Фізика 10 клас. - М.: Ілекса, 2005.
3. Мякішев Г.Я., Синяков А.З., Слобідськ Б.А. фізика. Електродинаміка. - М.: 2010.

1. Physics.kgsu.ru ().
2. Cathedral.narod.ru ().
3. Енциклопедія Фізики та Техніки ().

Домашнє завдання

1. Що таке електронна емісія?
2. Які є способи керування електронними пучками?
3. Як залежить провідність напівпровідника від температури?
4. Навіщо використовується електрод непрямого розжарення?
5. *У чому основна властивість вакуумного діода? Чим воно зумовлене?

Це короткий переказ.

Робота над повною версією продовжується

Лекція20

Струм у вакуумі

1. Зауваження про вакуум

Електричного струму у вакуумі немає, т.к. у термодинамічному вакуумі відсутні будь-які частинки.

Однак найкращий досягнутий практично вакуум становить

,

тобто. безліч часток.

Проте, коли говорять про струм у вакуумі, мають на увазі ідеальний у термодинамічному сенсі вакуум, тобто. повна відсутність часток. За протікання струму відповідають частинки, отримані з джерела.

2. Робота виходу

Як відомо, у металах існує електронний газ, який утримується силою тяжіння до кристалічних ґрат. У нормальних умовах енергія електронів невелика, тому вони утримуються усередині кристала.

Якщо підходити до електронного газу із класичних позицій, тобто. вважати, що він підпорядковується розподілу Максвелла-Больцмана, то очевидно, що існує велика частка частинок, швидкості яких вищі за середні. Отже, ці частинки мають достатню енергію, щоб вирватися за межі кристала і утворити поблизу нього електронну хмару.

Поверхня металу у своїй заряджається позитивно. Утворюється подвійний шар, який запобігає видаленню електронів від поверхні. Отже, щоб видалити електрон, необхідно повідомити додаткову енергію.

Визначення: Роботою виходу електронів із металу називається енергія, яку необхідно повідомити електрону, щоб видалити його з поверхні металу в нескінченність у стані з нульовоюE k.

Для різних металів робота виходу є різною.

Метал	Робота виходу, еВ
	1,81

3. Електронна емісія.

У звичайних умовах енергія електронів досить мала і пов'язані всередині провідника. Існують способи сполучення електронів додаткової енергії. Явище випромінювання електронів при зовнішньому впливі називається електронною емісією, і було відкрито Едісоном 1887 року. Залежно від способу сполучення енергії розрізняють 4 види емісії:

1. Термоелектронна емісія (ТЕЕ), спосіб - підведення тепла (нагрів).

2. Фотоелектронна емісія (ФЕЕ), спосіб – освітлення.

3. Вторинна електронна емісія (ВЕЕ), спосіб – бомбардування частинками.

4. Автоелектронна емісія (АЕЕ), спосіб – сильне електричне поле.

4. Автоелектронна емісія

Під впливом сильного електричного поля електрони можуть вириватися з металу.

Даної величини напруженості вистачає щоб вирвати електрон.

Це явище називається холодною емісією. Якщо поле досить сильне, то число електронів може стати більшим, а отже, великим струмом. За законом Джоуля - Ленца виділятиметься велика кількість теплоти і АЕЕ може перейти в ТЕЕ.

5. Фотоелектронна емісія (ФЕЕ)

Явище фотоефекту відоме досить давно, дивись «Оптика».

6. Вторинна електронна емісія (ВЕЕ)

Це застосовується у фотоелектронних множеннях (ФЭУ).

Працюючи відбувається лавиноподібне наростання числа електронів. Застосовується для реєстрації слабких світлових сигналів.

7. Вакуумний діод.

Для вивчення ТЕЕ застосовують пристрій, який називається вакуумним діодом. Найчастіше конструктивно він є двома коаксіальними циліндрами, поміщеними в скляну вакуумну колбу.

Нагрівання катода здійснюється електричним струмом прямим або непрямим способом. При прямому струм проходить через сам катод, при непрямому всередині катода поміщають додатковий провідник нитку розжарення. Розігрівання відбувається до досить високих температур, тому катод роблять складним. Основа – тугоплавкий матеріал (вольфрам), а покриття – матеріал із малою роботою виходу (цезій).

Діод належить до нелінійних елементів, тобто. він підпорядковується закону Ома. Кажуть, що діод – це елемент із односторонньою провідністю. Більшість ВАХ діода описується законом Богуславського – Ленгмюра чи законом «3/2»

При підвищенні температури розжарення ВАХ зсувається вгору і струм насичення зростає. Залежність щільності струму насичення температури описується законом Річардсона – Дешмана

Методами квантової статистики можна отримати цю формулу зconst= Bоднаковою всім металів. Експеримент показує, що константи різні.

8. Однонапівперіодний випрямляч

9. Двохнапівперіоднийвипрямляч (самостійно).

10. Застосування ламп.

До переваг ламп відносять

· легкість керування потоком електронів,

· велика потужність,

· велика ділянка майже лінійної ВАХ.

· Лампи використовують у потужних підсилювачах.

До недоліків відносяться:

· Низький ККД,

· Високе споживання енергії.

Електричний струм у вакуумі

Вакуум - це стан газу, при якому тиск менший за атмосферний. Розрізняють низький, середній та високий вакуум.

Для створення високого вакууму необхідне розрідження, за якого в залишеному газі, середня довжина вільного пробігу молекул більша за розміри посудини або відстані між електродами в посудині. Отже, якщо в посудині створено вакуум, то молекули в ньому майже не стикаються між собою і пролітають вільно міжелектродний простір. При цьому вони зазнають зіткнень лише з електродами або зі стінками судини.

Щоб у вакуумі існував струм, необхідно помістити у вакуум джерело вільних електронів. Найбільша концентрація вільних електронів у металах. Але при кімнатній температурі вони не можуть залишити металу, тому що їх у ньому утримують сили кулонівського тяжіння позитивних іонів. Для подолання цих сил електрону, щоб залишити поверхню металу, необхідно витратити певну енергію, яку називають роботою виходу.

Якщо кінетична енергія електрона перевищить або дорівнюватиме роботі виходу, то він залишить поверхню металу і стане вільним.

Процес випромінювання електронів із поверхні металу називають емісією. Залежно від цього, як було передано електронам необхідна енергія, розрізняють кілька видів емісії. Один із них – термоелектронна емісія.

Ø Випускання електронів нагрітими тілами називають термоелектронною емісією.

Явище термоелектронної емісії призводить до того, що нагрітий металевий електрод безперервно випромінює електрони. Електрони утворюють навколо електрода електронну хмару. Електрод при цьому заряджається позитивно і під впливом електричного поля зарядженої хмари електрони з хмари частково повертаються на електрод.

У рівноважному стані кількість електронів, що залишили електрод за секунду, дорівнює кількості електронів, які повернулися на електрод за цей час.

2. Електричний струм у вакуумі

Для існування струму необхідно виконання двох умов: наявність вільних заряджених частинок та електричного поля. Для створення цих умов балон поміщають два електроди (катод і анод) і викачують з балона повітря. Внаслідок нагрівання катода з нього вилітають електрони. На катод подають негативний потенціал, але в анод - позитивний.

Електричний струм у вакуумі є спрямований рух електронів, отриманих в результаті термоелектронної емісії.

3. Вакуумний діод

Сучасний вакуумний діод складається із скляного або металокерамічного балона, з якого відкачано повітря до тиску 10-7 мм рт. ст. У балон впаяно два електроди, один з яких - катод - має вигляд вертикального металевого циліндра, виготовленого з вольфраму і покритого зазвичай шаром оксидів лужноземельних металів.

Усередині катода розташований ізольований провідник, що нагріває змінний струм. Нагрітий катод випромінює електрони, що досягають анода. Анод лампи є круглим або овальним циліндром, що має спільну вісь з катодом.

Одностороння провідність вакуумного діода обумовлена ​​тим, що внаслідок нагрівання електрони вилітають із гарячого катода та рухаються до холодного анода. Електрони можуть рухатися через діод тільки від катода до анода (тобто електричний струм може протікати лише у зворотному напрямку: від анода до катода).

На малюнку відтворено вольт-амперну характеристику вакуумного діода (негативне значення напруги відповідає випадку, коли потенціал катода вищий за потенціал анода, тобто електричне поле «намагається» повернути електрони назад на катод).

Вакуумні діоди використовують для випрямлення змінного струму. Якщо помістити між катодом і анодом ще один електрод (сітку), навіть незначна зміна напруги між сіткою і катодом істотно впливати на анодний струм. Така електронна лампа (тріод) дозволяє посилювати слабкі електричні сигнали. Тому якийсь час ці лампи були основними елементами електронних пристроїв.

4. Електронно-променева трубка

Електричний струм у вакуумі застосовували в електронно-променевій трубці (ЕЛТ), без якої довгий часне можна було уявити телевізор чи осцилограф.

На малюнку спрощено показано конструкцію ЕЛТ.

Електронна «гармата» у горловині трубки – катод, який випромінює інтенсивний пучок електронів. Спеціальна система циліндрів з отворами (1) фокусує цей пучок, що робить його вузьким. Коли електрони потрапляють на екран (4) він починає світитися. Керувати потоком електронів можна за допомогою вертикальних (2) чи горизонтальних (3) пластин.

Електронам у вакуумі можна передати значну енергію. Електронні пучки можна використовувати навіть для плавки металів у вакуумі.

Рух заряджених вільних частинок, одержаних в результаті емісії, у вакуумі під дією електричного поля

Опис

Для отримання електричного струму у вакуумі потрібна наявність вільних носіїв. Отримати їх можна за рахунок випромінювання електронів металами - електронної емісії (від латинського emissio - випуск).

Як відомо, при нормальних температурах електрони утримуються всередині металу, незважаючи на те, що вони здійснюють тепловий рух. Отже, поблизу поверхні існують сили, які діють електрони і спрямовані всередину металу. Це сили, що виникають внаслідок тяжіння між електронами та позитивними іонами кристалічних ґрат. В результаті поверхневому шарі металів з'являється електричне поле, а потенціал при переході із зовнішнього простору всередину металу збільшується на деяку величину Dj . Відповідно потенційна енергія електрона зменшується на e Dj.

Розподіл потенційної енергії електрона U для обмеженого металу показано на рис. 1.

Діаграма потенційної енергії електрона U в обмеженому металі

Мал. 1

Тут W0 - рівень енергії електрона, що спочиває поза металом, F - рівень Фермі (значення енергії, нижче якої всі стани системи частинок (ферміонів), при абсолютному нулі зайняті), E c - найменша енергія електронів провідності (дно зони провідності). Розподіл має вигляд потенційної ями, її глибина e Dj = W 0 - E c (електронна спорідненість); Ф = W 0 – F – термоелектронна робота виходу (робота виходу).

Умова вильоту електрона з металу: W і W 0 де W - повна енергія електрона всередині металу.

При кімнатних температурах ця умова виконується лише для нікчемної частини електронів, отже, для збільшення числа електронів, що залишають метал, необхідно витратити певну роботу, тобто повідомити їм додаткову енергію, достатню для виривання з металу, спостерігаючи електронну емісію: при нагріванні металу - термоелектронну, при бомбардуванні електронами чи іонами – вторинну, при освітленні – фотоемісію.

Розглянемо термоелектронну емісію.

Якщо випущені розжареним металом електрони прискорити електричним полем, вони утворюють струм. Такий електронний струм може бути отриманий у вакуумі, де зіткнення з молекулами та атомами не заважають руху електронів.

Для спостереження термоелектронної емісії може служити пустотна лампа, що містить два електроди: один у вигляді дроту з тугоплавкого матеріалу (молібден, вольфрам та ін), що розжарюється струмом (катод), і інший холодний електрод, що збирає термоелектрони (анод). Аноду найчастіше надають форму циліндра, всередині якого розташований катод, що розжарюється.

Розглянемо схему спостереження термоелектронної емісії (рис. 2).

Електрична схема для спостереження термоелектронної емісії

Мал. 2

Ланцюг містить діод Д , катод якого підігрівається якого з'єднаний з негативним полюсом батареї Б , а анод - з її позитивним полюсом; міліамперметр mA , що вимірює силу струму через діод Д і вольтметр V, що вимірює напругу між катодом і анодом. При холодному катоді струму в ланцюзі немає, оскільки сильно розряджений газ (вакуум) усередині діода не містить заряджених частинок. Якщо катод розжарити за допомогою додаткового джерела, міліамперметр зареєструє появу струму.

При постійній температурі катода сила термоелектронного струму в діоді зростає зі збільшенням різниці потенціалів між анодом та катодом (див. рис. 3).

Вольтамперні характеристики діода за різних температур катода

Мал. 3

Однак ця залежність не виражається законом аналогічним закону Ома, за яким сила струму пропорційна різниці потенціалів; ця залежність носить складніший характер, графічно представлений малюнку 2, наприклад, кривої 0-1-4 (вольтамперная характеристика). При збільшенні позитивного потенціалу анода сила струму зростає відповідно до кривої 0-1, при подальшому зростанні анодної напруги сила струму досягає деякого максимального значення i н, званого струмом насичення діода, і майже перестає залежати від анодної напруги (ділянка кривої 1-4).

Якісно така залежність струму діода від напруги пояснюється так. При різниці потенціалів рівної нулю сила струму через діод (при достатній відстані між електродами) теж дорівнює нулю, так як електрони, що залишили катод, утворюють поблизу нього електронну хмару, що створює електричне поле, що гальмує електрони, що знову вилітають. Емісія електронів припиняється: скільки електронів залишає метал, стільки ж у нього повертається під дією зворотного поля електронної хмари. При збільшенні анодної напруги концентрація електронів у хмарі зменшується, гальмує його зменшується, анодний струм збільшується.

Залежність сили струму діода i від анодної напруги U має вигляд:

де a - коефіцієнт, що залежить від форми та розташування електродів.

Це рівняння описує криву 0-1-2-3, і називається закону Богуславського - Ленгмюра чи “закону 3/2”.

Коли потенціал анода стає настільки великим, що всі електрони, що залишають катод за кожну одиницю часу, потрапляють на анод, струм досягає максимального значення та перестає залежати від анодної напруги.

При збільшенні температури катода вольтамперна характеристика зображується кривими 0-1-2-5, 0-1-2-3-6 і т.д., тобто при різних температурах різними виявляються значення насичення струму i н , які швидко збільшуються зі зростанням температури . Одночасно збільшується анодна напруга, за якої встановлюється струм насичення.