Г) Ток в вакууме. Электронная эмиссия

Под вакуумом понимают газ такого малого давления, при котором молекулы в сосуде не сталкиваются друг с другом. Такой разреженный газ является изолятором, так как в нем нет носителей заряда. Но в вакуум можно ввести свободные носители заряда путем эмиссии (испускания) электронов с поверхности электродов. Существуют различные виды эмиссии: термоэлектронная - при нагревании металла до высокой температуры; фотоэлектронная - при освещении поверхности металла; вторичная электронная эмиссия - выбивание быстрыми заряженными частицами (электронами, ионами и др.).

Термоэлектронная эмиссия используется в электронных лампах. Простейший электровакуумный прибор - электронная лампа с двумя электродами. Та­кая лампа называется вакуумным диодом. Катодом лампы служит нить накала. Анодом обычно служит цилиндр, охватывающий нить (Рис. 3 .59а). Условное изображение диода в схемах показано на Рис. 3 .59б.

а б

Рис. 3.59 Устройство вакуумного диода (а) и его обозначение на принципиальных схемах (б)

При нагревании нити накала электрическим током, часть электронов материала нити получает энергию, достаточную для совершения работы выхода против сил притяжения положительных ионов металла. Эти электроны покидают поверхность катода и под действием электрического поля движутся к аноду. При повышении температуры чис­ло вылетающих из металла электро­нов растет.

При постоянной температуре катода ток зависит от разности потенциалов между анодом и катодом следующим образом: I (при сравнительно небольших значениях ). Когда разность потенциалов становится настолько большой, что все испущенные катодом электроны будут достигать анода, ток достигает своего максимального значения, наступает состояние насыщения – ток перестает зависеть от разности потенциалов. Ток через диод может протекать только тогда, когда нить накала является катодом. При перемене полюсов источника то­ка прекращается ток в цепи. Поэто­му вакуумный диод, включенный в цепь переменного тока, пропускает ток только в одном направлении и тем самым превращает переменный ток в ток постоянного направления.

В трехэлектродной лампе - триоде - между катодом и анодом имеется третий электрод - сетка. Сетка расположена значительно ближе к катоду, чем анод, и изменение напряжения между сеткой и катодом влияет на величину анодного тока значительно сильнее, чем изменение анодного напряжения. Триоды использовались для усиления и генерирования электрических колебаний, однако к настоящему времени практически полностью вытеснены полупроводниковыми приборами. Единственным преимуществом электровакуумных приборов является их нечувствительность к воздействию радиоактивных излучений.

Широко применяемым и в настоящее время электровакуумным прибором является электронно-луче­вая трубка (Рис. 3 .60). В стеклянном баллоне 1, из которого откачан воз­дух до глубокого вакуума, в узкой ее части находится «электронная пушка» - устройство, соз­дающее электронный пучок. Она состоит из нити накала 2, соединенной с катодом, анода в виде цилиндра 3 и электро­да 4 в виде цилиндра с отверстием в торце, который управляет интен­сивностью электронного пучка.

Рис. 3.60 Устройство электронно-лучевой трубки

Электроны, испускаемые нагретой нитью, пролетают через анод в виде узкого пучка и попадают на экран 5, покрытый люми­нофором, который светится при ударе попадающих на него элект­ронов. Увеличивая или уменьшая по­тенциал электрода 4, можно из­менять скорость электронов, по­падающих на экран, и тем самым регулировать яркость светящейся точки.

Две па­ры пластин 6 и 7, расположенные вдоль оси трубки во взаимно перпен­дикулярных плоскостях, позволяют изменять направление электронного луча. Если подать на­пряжение на первую пару пластин 6, то электронный луч, проходя между ними, будет отклоняться в сторону положительно заряженной пластины. При этом светящаяся точка сместит­ся в вертикальном направлении к краю экрана - вверх или вниз и тем значительнее, чем больше напряже­ние. Точно так же, если подать напря­жение на вторую пару пластин 7, электронный луч будет отклоняться ими в горизонтальной плоскости.

Электронно-лучевая трубка используется для наблюдения за быстро протекающими изменениями напряжений. Такой прибор называется электронным осциллографом. Особенно широкое применение электронно-лучевая трубка получила в телевизорах и компьютерных мониторах.