В вакуумном диоде зависимость термоэлектронного тока от анодного напряжения

Электрический ток в вакуумном диоде

Явление испускания электронов нагретыми металлами называется термо­элек­тронной эмиссией. С повышением температуры возрастает кинетическая энергия электронов и они получают возможность, пре­одолев ра­боту выхода, покинуть поверхность металла. Термоэлек­тронная эмиссия лежит в основе работы электронных ламп. Простейшая электронная лампа — вакуумный диод, — представляет собой вакууммиро­ванный стеклян­ный или металлический баллон, внутри которого нахо­дятся два электрода: нагреваемый нитью накала, ме­таллический катод К и холодный метал­лический анод А. Высокий вакуум в диоде создается для того, чтобы электроны при своем движении не сталкивались с молекулами воздуха. На рис.3.4 приведена схема включения вакуумного диода. Батарея Б_Н служит для нагревания нити накала и далее катода. Напряжение между анодом и катодом создается с помощью батареи Б_а.

Вакуумный диод обладает односторонней проводимостью, то есть электроны могут двигаться только от катода к аноду, притягиваясь Кулоновскими силами к положительно заряженному аноду. Если же анод заряжен батареей Б_а отрицательно, то анод отталкивает испускаемые нагретым като­дом электроны обратно и они образуют «электронное облако», которое сосредоточено вблизи катода. Такое же «электронное облако» образуется при нулевом и даже при положительном напряжении анода за счет притяжения электронов к катоду, где после вылета электронов возникает поверхностный, положительный заряд. При увеличении положительного анодного напряжения все большая часть электронов будет лететь прямо к аноду, не задерживаясь в «электронном облаке», его плотность начнет уменьшаться и количество электронов, притяги­ваемых анодом в каждую секунду, будет увеличиваться. Электроны, долетевшие до анода, двигаются далее по проводам под действием батареи Б_а , доходят до катода и снова испускаются к аноду.

В замкнутой цепи возникает электрический ток, называемый анодным током. Зависимость анодного тока I_а от анод­ного напряжения U_а называется вольт­ампер­ной характеристикой диода. На рис.3.5 пред­ставлены три вольт-амперные ха­рактеристи­ки, снятые при различных температурах като­да Т₁ 6 А/м 2 К 2 — эмиссионная постоянная Ричардсона.

На участках кривых при U_А

С ростом температуры катода увеличивается число испускаемых им электро­нов, растет плотность «электронного облака». Для рассеивания объемного заряда об­лака требуется большее анодное напряжение. Поэтому при увеличении темпера­туры катода насыщение анодного тока наступает при больших значениях U_а и сама величи­на тока насыщения I_нас также возрастает.

Явление термоэлектронной эмиссии используется в различных электронных лампах, рентгеновских трубках, электронном микроскопе и т.д. Рассмотренная выше двухэлектродная лампа применяется в электро- и радиотехнике, автоматике и телеме­ханике для выпрямления переменного тока, усиления тока и электрических сигналов, для генерирования электромагнитных колебаний.

Дата добавления: 2015-08-01 ; просмотров: 1307 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Электровакуумный диод

Диод — наиболее простая электронная лампа, содержащая лишь два электрода: катод и анод. Катод служит для испускания электронов, анод является коллектором — электродом, к которому движутся электроны. Анод в соответствии с формой катода выполняется либо в виде цилиндра (рис. 3, а), либо в виде короба — плоский анод (рис. 3,б). Оба электрода помещаются в стеклянный или металлический баллон, через стенки которого проходят выводы от электродов.

Рис. 3. Устройство диода. а — с цилиндрическими электродами и подогревным катодом; б — с плоскими электродами и катодом прямого накала; 1 — анод; 2 — катод; 3 — подогреватель.

Условное обозначение диодов на радиотехнических схемах показано на рис. 4.

При нагреве катода током накала I_н возникает термоэлектронная эмиссия. В диоде, как и во всех электронных приборах, принято считать потенциал катода равным нулю и от этого значения отсчитывать потенциалы всех других электродов.

Условное обозначение вакуумных диодов с подогревным катодом и их примерные ВАХ представлены на рис. 4.

Рис. 4. Вакуумный диод с подогревным катодом: условное обозначение(а) и вольтамперная характеристика (б)

Если анод находится под положительным потенциалом U_a, то электроны, вылетевшие из катода, движутся к аноду, притягиваемые его положительным полем. Во внешней цепи лампы при этом возникает анодный ток I_а, направленный от катода к аноду. Если же изменить полярность батареи питания и подать на анод напряжение, отрицательное относительно катода, то электроны, отталкиваемые отрицательным полем анода, возвратятся на катод. Тока во внешней цепи не будет.

Таким образом, внутри диода ток может протекать только в одном направлении — от анода к катоду, когда потенциал анода выше потенциала катода. Эта способность диода характеризует его как вентильный (униполярный) прибор, т. е. лампу, проводящую ток только в одном направлении.

Анодный ток, определяемый числом электронов, достигающих анода, зависит как от тока эмиссии I_е, так и от анодного напряжения U_а. При увеличении тока эмиссии возрастает число электронов, покидающих катод и участвующих в движении к аноду, а следовательно, увеличивается и анодный ток. Анодное напряжение также влияет на число электродов, достигающих анода. При малых положительных анодных напряжениях не все электроны попадают на анод; электроны с малыми начальными скоростями возвращаются обратно на катод.

Таким образом, анодный ток является функцией двух величин: анодного напряжения и тока эмиссии. Последний определяется температурой катода, зависящей от напряжения или тока накала.

Для экспериментального определения зависимости анодного тока от напряжения накала и анодного напряжения удобно использовать схему, приведенную на рис. 5.

Рис. 5. Схема для снятия характеристик диода.

Схема содержит две цепи: накальную и анодную. В цепи питания накала имеется источник напряжения накала E_н; реостат R_н, позволяющий изменять величину напряжения U_a, подводимого к нити накала; вольтметр и амперметр для измерения напряжения и тока накала. Напряжение на анод U_a подается от потенциометра R_а, подключенного к батарее анодного питания Е_а. Анодный ток I_а и разность потенциалов U_a между анодом и катодом измеряются миллиамперметром и вольтметром.

С помощью этой схемы можно получить зависимость анодного тока от напряжения накала при некотором определенном напряжении на аноде, а также зависимость при неизменном напряжении накала.

Характеристика называется эмиссионной характеристикой диода. Если считать, что все электроны, покидающие.катод, достигают анода, то анодный ток будет равен току эмиссии. Условия, при которых справедливо равенство I_а = I_е, рассмотрены далее.

Вторая зависимость носит наименование анодной характеристики диода.

Полученная экспериментальным путем эмиссионная характеристика диода показана на рис. 6,а. Здесь изображено семейство кривых, отображающих зависимость при различных, но неизменных для каждой кривой анодных напряжениях. Можно отметить два характерных участка этих кривых. На первом участке, соответствующем малым значениям U_н, анодный ток растет при увеличении напряжения накала по закону, близкому к полученной ранее зависимости тока эмиссии от напряжения накала или температуры катода. При дальнейшем повышении U_н рост анодного тока замедляется и характеристика переходит во второй, пологий участок. Увеличение анодного напряжения вызывает смещение пологого участка характеристики в область больших U_н, а значение анодного тока при тех же напряжениях накала становится больше.

Для объяснения полученных зависимостей рассмотрим распределение потенциала в пространстве между катодом и анодом диода при различных напряжениях накала и при некотором фиксированном напряжении на аноде, например U¢¢¢_а. Представим анод и катод в виде неограниченных плоскостей и пренебрежем краевым эффектом. На рис. 6,б по оси ординат вниз отложены положительные значения потенциалов, по оси абсцисс — расстояние от поверхности катода.

В начале эмиссионной характеристики (U_н = 0) катод не накален и эмиссии нет. Диод можно рассматривать как плоский конденсатор, разность потенциалов на пластинах которого равна U¢¢¢_а.

Распределение потенциала в междуэлектродном пространстве для этой точки — прямая линия 1, соединяющая точки, соответствующие потенциалу катода U_K = 0 и анода U‘»_a. При малых значениях напряжения накала температура катода ещё недостаточно высока и сообщенная электронам энергия меньше требуемой для совершения работы выхода; ток эмиссии по-прежнему равен нулю. Когда напряжение превысит некоторое значение U_но, электроны, обладающие наибольшей собственной энергией, начинают покидать катод и ток эмиссии возрастает с увеличением напряжения накала. В междуэлектродном пространстве находится в движении весьма большое количество электронов, суммарный отрицательный заряд которых изменяет картину распределения потенциалов (кривая 2 на рис. 6,б, соответствующая точке 2 на эмиссионной характеристике). За счёт отрицательного заряда электронов потенциал в пространстве между катодом и анодом несколько снижается, но все же во всех точках остается положительным. Вектор напряженности электрического поля в любой точке кривой 2 направлен от анода к катоду, и поэтому все электроны, покинувшие катод, устремляются на анод.

Рис. 6. Эмиссионные характеристики диода (а)

и кривые распределения потенциала (б).

Таким образом, восходящему участку эмиссионной характеристики соответствует такое распределение потенциала, при котором анодный ток равен току эмиссии. Этот режим называется режимом насыщения.

При дальнейшем увеличении напряжения накала с поверхности катода выходит все большее число электронов, причем часть из них обладает незначительными, скоростями. Возрастает плотность потока электронов, от катода к аноду, и все более изменяется кривая распределения потенциала за счет отрицательного объемного электрического заряда, образуемого движущимися электронами. Более всего сказывается влияние этого объемного заряда вблизи катода, где скорости электронов невелики. Как видно из кривой 3 (рис. 6,б), вблизи катода образуется область, в которой положительный градиент потенциала очень мал. Вследствие этого электроны, обладающие близкими к нулю начальными скоростями, не получают достаточного ускорения и под влиянием отрицательного пространственного заряда, образованного другими электронами, возвращаются на катод. Объемная плотность электронного «облачка» у катода возрастает настолько, что образуется область отрицательного потенциала (кривая 4), минимальное значение которого U_мин обычно находится на расстоянии сотых долей миллиметра от поверхности катода. Таким образом, вблизи катода (0

Дата добавления: 2015-04-07 ; просмотров: 3515 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

3. 5. Электрический ток в вакуумном диоде

Рис.3.4. Схема включения вакуумного диода.

Явление испускания электронов нагретыми металлами называется термо­элек­тронной эмиссией. С повышением температуры возрастает кинетическая энергия электронов и они получают возможность, пре­одолев ра­боту выхода, покинуть поверхность металла. Термоэлек­тронная эмиссия лежит в основе работы электронных ламп. Простейшая электронная лампа — вакуумный диод, — представляет собой вакууммиро­ванный стеклян­ный или металлический баллон, внутри которого нахо­дятся два электрода: нагреваемый нитью накала, ме­таллический катод К и холодный метал­лический анод А. Высокий вакуум в диоде создается для того, чтобы электроны при своем движении не сталкивались с молекулами воздуха. На рис.3.4 приведена схема включения вакуумного диода. Батарея Б_Н служит для нагревания нити накала и далее катода. Напряжение между анодом и катодом создается с помощью батареи Б_а.

Вакуумный диод обладает односторонней проводимостью, то есть электроны могут двигаться только от катода к аноду, притягиваясь Кулоновскими силами к положительно заряженному аноду. Если же анод заряжен батареей Б_а отрицательно, то анод отталкивает испускаемые нагретым като­дом электроны обратно и они образуют «электронное облако», которое сосредоточено вблизи катода. Такое же «электронное облако» образуется при нулевом и даже при положительном напряжении анода за счет притяжения электронов к катоду, где после вылета электронов возникает поверхностный, положительный заряд. При увеличении положительного анодного напряжения все большая часть электронов будет лететь прямо к аноду, не задерживаясь в «электронном облаке», его плотность начнет уменьшаться и количество электронов, притяги­ваемых анодом в каждую секунду, будет увеличиваться. Электроны, долетевшие до анода, двигаются далее по проводам под действием батареи Б_а , доходят до катода и снова испускаются к аноду.

Рис.3.5. Вольт-амперные характеристики диода при различных температурах катода.

В замкнутой цепи возникает электрический ток, называемый анодным током. Зависимость анодного токаI_а от анод­ного напряжения U_а называется вольт­ампер­ной характеристикой диода. На рис.3.5 пред­ставлены три вольт-амперные ха­рактеристи­ки, снятые при различных температурах като­да Т₁Т₂Т₃. На всех трех кривых видно, что при определенных значе­ниях U_а=U_нас (напряжение насыщения) рост анодного тока прекращается, кривые стано­вятся практиче­ски параллельными оси абс­цисс. Максималь­ное значение анодного тока называется током насыще­ния I_нас. Это озна­чает, что все электроны, покидающие катод в единицу времени, под действием достаточно сильного поля двигаются сразу к аноду, не создавая облака. Дальнейшее увели­чение U_а не мо­жет привести к росту анод­ного тока, так как число электронов, вылетающих каждую секунду из катода, зависит от температуры катода, но не зависит от величины анодного напряжения. Поэтому, плот­ность тока насыщения j_нас определяется плотностью тока термоэлектронной эмиссии (они равны по величине), которая рассчитывается по формуле Ричардсона-Дешмена: , гдеI_нас — ток насыщения, k — постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура, А_ВЫХ — работа выхода электрона из металла катода, С=1.210 6 А/м 2 К 2 — эмиссионная постоянная Ричардсона.

На участках кривых при U_АU_нас зависимость анодного тока от анодного на­пряжения описывается формулой Богуславского-Ленгмюра или законом «трех вторых» , где В — константа, зависящая от размеров, формы и взаимного расположения катода и анода.

С ростом температуры катода увеличивается число испускаемых им электро­нов, растет плотность «электронного облака». Для рассеивания объемного заряда об­лака требуется большее анодное напряжение. Поэтому при увеличении темпера­туры катода насыщение анодного тока наступает при больших значениях U_а и сама величи­на тока насыщения I_нас также возрастает.

Явление термоэлектронной эмиссии используется в различных электронных лампах, рентгеновских трубках, электронном микроскопе и т.д. Рассмотренная выше двухэлектродная лампа применяется в электро- и радиотехнике, автоматике и телеме­ханике для выпрямления переменного тока, усиления тока и электрических сигналов, для генерирования электромагнитных колебаний.

Источник