ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В ВАКУУМЕ. КАТОДЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМП

Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про движение электронов в вакууме, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое движение электронов в вакууме, катоды электронных ламп , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Радиолампы и ионные приборы.

Электрон, открытый в самом конце прошлого века, до сих пор представляет собой объект научных исследований, которые открывают все новые и новые его свойства. Уже давно установлено, что электрон обладает отрицательным зарядом e = 1,6·10 ^-19Кл и массой покоя
m = 9·10 ^-28г.

Представим себе пространство между двумя плоскими пластинами (электродами) в эвакуированном стеклянном баллоне (рис. 8-1). Напомним, что эвакуировать или создать вакуум в баллоне - значит откачать из него воздух специальными насосами; для химического поглощения газов, которые могут выделиться внутри баллона лампы при ее эксплуатации, служат поглотители (геттеры), например барий, распыляемый внутри баллона при изготовлении лампы и образующий налет на внутренней поверхности стекла.

Рис. 8-1. Движение электрона в ускоряющем электрическом поле.

Представим себе далее, что еще до откачки баллона к пластинам были подведены проводники, впаянные в стекло и служащие выводами от пластин наружу. Вне баллона к одному проводнику присоединен положительный, а к другому отрицательный полюс батареи. Тогда пластина, соединенная с "плюсом", приобретает название анод, а соединенная с "минусом" -катод.

Пусть внутрь баллона из поверхности катода вылетает электрон, имеющий пренебрежительно малую начальную скорость. Он попадает под действие электрического поля, которое на рис. 8-1 изображено в виде силовых линий, направленных от анода к катоду. Электрон притягивается к аноду с постоянной силой.

Легко вычислить эту силу. Если поле между анодом и катодом считать однородным, то его напряженность

где d - расстояние между электродами. Но электрическое поле воздействует на электрон с силой, равной (по закону Кулона) произведению его заряда на напряженность поля, т.е.

причем эта сила направлена навстречу полю. Электрон начнет движение снизу вверх, приобретая ускорение, которое в соответствии со вторым законом Ньютона равно отношению силы к массе:

Движение окажется равномерно ускоренным; следовательно, при движении электрона будет возрастать его скорость и вместе с ней кинетическая энергия, которая к концу пути приобретет значение

где v - скорость в конце пути d.

Энергия, приобретенная электроном при движении в ускоряющем поле, равна работе, которая затрачена электрическим полем, т.е. в конце концов батареей. Работа вычисляется как произведение силы на путь:

Приравняв энергию, израсходованную полем, к энергии, приобретенной электроном, напишем основное уравнение движения электрона в электрическом поле:

откуда найдем скорость электрона в конце пути

Зная, что отношение заряда электрона к его массе в принятых нами условиях - величина постоянная, и выражая скорость в практических единицах (км/с), получаем:

8.1

Так, если напряжение между электродами U = 100 В, то скорость электрона в конце пути окажется 6000 км/с, что, как мы видим, гораздо ниже скорости света (300000 км/с).

Легко определить и время пролета электрона от катода до анода, зная расстояние d между ними. Известно, что средняя скорость равномерно ускоренного движения v_ср = v / 2. Поэтому время
t = d / v_ср. Например, если в указанном выше случае d = 1 см (т.е. 10 ^-5км), то время пролета окажется t = 2d / v 2·10 ^-5 / 6·10 ³ = 1/3·10 ^-8с, т.е. приблизительно 0,003 мкс. Это время оказалось равным периоду радиоволны длиной в 1 м.

Итак, поле, которое ускоряет движение электрона, совершает работу, увеличивающую кинетическую энергию электрона. При ударе о поверхность анода кинетическая энергия электрона превращается в тепловую: удары электронов нагревают анод.

Рассмотрим второй случай движения электрона в том же баллоне. Допустим, что электрон, находившийся вблизи от поверхности анода, получил толчок в направлении к катоду. Начальная скорость электрона оказалась направленной навстречу действующей на него электрической силе. Тогда поле окажется не ускоряющим, а тормозящим движение электрона; электрон будет двигаться равномерно замедленно. Энергия, которую приобрел электрон в момент начального толчка, будет расходоваться при его движении в тормозящем поле: электрон в этом случае отдает энергию электрическому полю. Возможен и такой случай: не достигнув катода, электрон израсходует всю свою энергию, остановится, а затем начнет двигаться обратно к аноду, равномерно ускоряясь.

Третий характерный случай - толчок, сообщенный электрону в направлении, поперечном к полю. Движение окажется непрямолинейным: электрон уклонится от поперечного пути в направлении к аноду, причем степень отклонения будет зависеть как от начальной скорости электрона, так и от напряженности электрического поля (E = U/d).

Таковы простейшие случаи взаимодействия между электроном и электрическим полем. Взаимодействие всегда проявляется в изменении скорости электрона и в обмене энергией между электроном и полем, созданным анодной батареей. В ускоряющем поле электрон приобретает энергию от батареи, а в тормозящем поле он отдает энергию батарее. Если бы электрон двигался не в вакууме, а в пространстве, заполненном газом, то описанные нами процессы нарушились бы из-за столкновений электрона с молекулами газа. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . О взаимодействии же электрона с магнитным полем будет сказано ниже.

Теперь представим себе, что вблизи от катода электроны появляются непрерывно и под действием электрического поля движутся к аноду. Тогда в вакууме и в цепи батареи установится электрический ток, величина которого определится числом электронов, долетающих до анода за секунду. Так, если за секунду через баллон пролетает приблизительно7·10¹² электронов, то ток составит 1 мкA. Направление тока до сих пор принято указывать обратным направлению движения электронов.

Можно создать условия установления и поддержания тока в вакуумном приборе, выбрав катод, который обладает свойствами эмиссии (высылки) электронов со своей поверхности. Такой катод можно назвать "эмиттером" (высылающим электроны); анод же можно назвать "коллектором" (собирающим электроны). Впрочем, наименования "эмиттер" и "коллектор" чаще применяются в полупроводниковых приборах.

Для того чтобы создать заметный ток в вакууме, воздействие на катод одного напряжения оказывается недостаточным, так как электроны могут свободно выходить из металла катода за его поверхность. Дело в том, что атомы металла, от которых отделились электроны, становятся положительными ионами; они притягивают внутрь металла каждый электрон, выходящий за поверхность. Лишь при достаточно большой начальной скорости вылета электрон способен оторваться от металла. Эмиссия электронов с поверхности катода может значительно повыситься, если электронам в металле сообщить дополнительную энергию.

Имеются три практически используемых способа повышения энергии электронов в проводнике: нагревание, создающее термоэлектронную эмиссию; облучение поверхности проводника светом, создающее фотоэлектронную эмиссию; бомбардировка поверхности проводника извне электронами, имеющими большую скорость и создающими вторичную электронную эмиссию. В большинстве типов радиоламп используется термоэлектронная эмиссия. Катод нагревается электрическим током, как нить в лампе накаливания; именно поэтому электровакуумные приборы и называются лампами. Для нагревания катода должен быть самостоятельный источник тока.

Повышение температуры металла увеличивает среднюю энергию движения электронов во всей массе металла, и значительное число электронов приобретает скорость, достаточную для выхода в окружающее пространство. Чистые металлы дают заметную эмиссию лишь при температурах в несколько тысяч градусов. Такой нагрев выдерживают тугоплавкие металлы, например вольфрам, который широко применяется для катодов радиоламп.

В качестве простейшего примера радиолампы (электровакуумного прибора с термоэлектронной эмиссией) рассмотрим диод (лампу с двумя электродами), применяемый для выпрямления переменного тока, детектирования и выполнения других функций в радиоаппаратуре.

Рис. 8-2.	Устройство и включение диода: a - простейшая конструкция диода; б - диод в схеме; в - регулировка накала.

В стеклянном эвакуированном баллоне (рис. 8-2, a) укреплены два электрода - анод и катод. Анод выполнен в этом примере в виде металлического цилиндра, расположенного горизонтально и имеющего вывод вверх сквозь стекло. Цилиндрическая форма удобнее, чем плоская, в смысле охвата катода; но возможны и иные формы.

Катод в виде нити накала, проходящий по оси цилиндра, имеет два вывода, подключаемые к батарее накала. Электроды лампы принято обозначать на схемах, как показано на рис. 8-2, б.

Оба вывода катода (нити накала) подключаются к самостоятельной батарее накала Б_н. Ток этой батареи, проходящий по нити, нагревает ее до температуры, при которой достигается достаточная эмиссия электронов. В случае необходимости устанавливать точно заданную температуру нити к ее зажимам подключают вольтметр накала V и реостат R (в соответствии со схемой на рис. 8-2, в).

Между анодом и одним из зажимов катода включена анодная батарея Б_а с соблюдением полярности, обеспечивающей притяжение электронов к аноду. Анодный ток измеряется миллиамперметром mA, включенным в цепь анода; величина тока равна сумме зарядов электронов, достигающих анода в течение секунды. Цепь анодного тока идет от плюса анодной батареи Б_а к аноду, затем от анода до катода в эвакуированном пространстве, далее по катоду до общей точки 0 батарей и к минусу батареи Б_а (рис. 8-2, б). Направление анодного тока I_апоказано обратным направлению движения электронов.

Если бы полярность анодной батареи мы изменили и анод оказался по отношению к катоду отрицательным, то электрическое поле стало бы не ускоряющим, а тормозящим и движение электронов к аноду прекратилось бы. Это и дает возможность применять диод как выпрямитель переменного тока.

Обратимся к устройству катодов. Для каждого металла, в том числе и для вольфрама, при допустимой температуре эмиттируется определенное (в среднем) число электронов с квадратного миллиметра. Следовательно, размеры катода должны быть такими, чтобы с его поверхности был получен требуемый ток эмиссии. Чем больший анодный ток хотим мы получить, тем большие размеры должен иметь катод; соответственно приходится затрачивать большую мощность на его нагревание (необходимая, но не полезная затрата мощности).

Чистый вольфрам в этом отношении неэкономичен. Его приходится нагревать до такой температуры (не менее 2200°С), при которой металл испаряется и катод служит недолго (в среднем до 1000 ч). Лишь в очень мощных лампах перегоревшие вольфрамовые катоды можно заменять, и они там находят применение.

Чтобы снизить рабочую температуру катода, сохранив хорошую эмиссию электронов, необходимо облегчить выход электронов из металла. С этой целью катод покрывают слоем другого металла толщиной в один атом. Контактная разность потенциалов двух металлов частично компенсирует тормозящее действие поверхности основного металла и содействует вылету электронов. Поэтому покрытие катода называют его активацией.

Среди активирующих покрытий можно указать торий, которым покрывается специально обработанная углеродом (карбидированная) поверхность вольфрамовой нити. Торированные карбидированные катоды имеют рабочую температуру не выше 1700°С (желтое каление) и применяются чаще всего в лампах для радиопередатчиков средней мощности. Лампа с таким катодом может выйти из строя не в результате перегорания нити, а вследствие разрушения активирующего покрытия; в таких случаях говорят, что лампа "теряет эмиссию".

Другим активирующим покрытием могут быть окислы (оксиды) металлов бария или стронция, которые наносятся не на вольфрам, а на никель. Активирующий слой металла выделяется из оксидов при термической обработке катода. Оксидные катоды работают при температуре около 800°С (вишнево-красное каление). Они имеют запас активирующего металла в окислах и потому менее чувствительны к перекалу и более долговечны (5000 ч и более). Кроме того, они способны отдать повышенную эмиссию при кратковременных включениях напряжений (импульсная работа).

Однако все эти катоды непосредственного (прямого) накала почти не встречаются в радиовещательной приемно-усилительной аппаратуре, питаемой от сети переменного тока. Дело в том, что если нить прямого накала питать переменным током, то общая точка 0 (см.рис.8-2,б) попеременно оказывается под положительным и отрицательным потенциалом относительно середины нити, а потому изменяется (пульсирует) и анодное напряжение, чем может создаться низкочастотный звук (фон) в громкоговорителе приемника.

Гораздо более широко в радиоприемной и телевизионной аппаратуре применяются лампы с катодами, которые питаются переменным током, но имеют неизменный потенциал по отношению к аноду (эквипотенциальные катоды). В них нить накала не предназначена для эмиссии; она лишь нагревает сквозь изоляцию отделенный от нее катод. Такие катоды называются подогревными или катодами косвенного накала.

Эскиз катода косвенного накала (с вырезом части стенки) изображен на рис. 8-3. Собственно катод представляет собой металлическую трубку 1, на поверхность которой нанесен слой оксидов 2, содержащих барий. Внутри трубки помещена свернутая петля нити накала 3, покрытая теплостойким слоем алунда 4 (изоляционный материал на основе окиси алюминия). Могут встречаться и такие конструкции подогревных катодов, в которых подогреватель выполнен в виде плоской спирали, а катод представляет собой плоский цилиндр, закрытый с одного торца оксидированным дном.

Рис. 8-3.	Устройство катода косвенного накала.

На рис. 8-4 дана схема цепей диода с катодом косвенного накала, причем указано питание цепи накала переменным током. Иногда в отличие от этого рисунка катод соединяется с одним из концов нити; однако всегда цепь накала и анодная цепь отделены одна от другой, т.е. не имеют общего участка. Следовательно, переменное напряжение накала не воздействует на анод. Вместе с тем массивный подогревный катод, обладающий тепловой инерцией, обеспечивает постоянство своей средней температуры при переменном токе накала.

Рис. 8-4.	Включение диода с катодом косвенного накала.

Естественно, что при нагреве катода нитью через изоляцию экономичность накала уменьшается. При питании от сети переменного тока вопрос экономичности накала не ставится столь остро, как при батарейном питании переносной аппаратуры. После включения массивные катоды "подогревных" ламп требуют несколько секунд на разогрев до нормальной (эмиссионной) температуры. В схемах, не имеющих соединения катода с нитью, иногда приходится создавать напряжение между ними; это напряжение не должно превышать сотни вольт, так как при больших значениях может произойти пробой алундовой изоляции.

Лампы косвенного накала с хорошо отработанной технологией производства имеют срок службы 5000 ч и более.

(8-1)

Статью про движение электронов в вакууме я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развитие теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое движение электронов в вакууме, катоды электронных ламп и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Радиолампы и ионные приборы