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.

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<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: , где I_нас - ток насыщения, k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, А_ВЫХ - работа выхода электрона из металла катода, С=1.2×10⁶ А/м²К² - 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.