§ 65. Двухэлектродная лампа - диод

Диод (рис. 87, а) представляет собой вакуумную электронную лампу с двумя электродами - анодом и катодом. Работа диода основана на явлении термоэлектронной эмиссии.

Электрод, который соединяется с отрицательным полюсом источника тока, называется катодом. Чтобы меньше тратить электрической энергии на образование электронного облака вокруг катода, его покрывают веществом (торием, окисью бария), имеющим малую работу выхода электронов (примерно 2*10^-19 дж). Для нормальной работы устройств с электронными лампами надо, чтобы катод все время излучал одинаковое количество электронов. Для этого его температура должна поддерживаться постоянной. При питании катода от гальванических элементов или аккумуляторов это условие выполняется, но при питании переменным током оно уже не может быть соблюдено, так как при этом температура накала катода будет испытывать изменения в соответствии с изменением тока, а вместе с этим изменится и количество испускаемых электронов. Данное обстоятельство не позволяло использовать переменный ток для питания устройств, испускающих электроны.

Рис. 87. Двухэлектродная лампа

Изобретение подогревного катода дало возможность применять переменный ток для, питания электрических устройств, испускающих электроны. В подогревном катоде нить накала не является источником, излучающим электроны. Непосредственный излучатель электронов - цилиндрик из никеля, покрытый снаружи слоем окиси бария, стронция и кальция (слоем оксида). Этот цилиндрик изолирован от нити накала и лишь подогревается ею. Будучи нагретым, слой оксида начинает излучать электроны. У подогревного катода имеется три вывода - два от концов подогревающей нити и один от излучателя электронов (рис. 87, б). Электрод, соединяемый с положительным полюсом, называется анодом. Для полного использования электронного облака анод лампы делается такой формы, чтобы он полностью охватывал катод.

Выясним, как меняется сила тока в анодной цепи в зависимости от изменения напряжения между анодом и катодом. Соберем цепь из двухэлектродной лампы, батареи накала, миллиамперметра, вольтметра (для измерения напряжения между анодом и катодом) и подключим ее к зажимам источника постоянного тока электрораспределительного щитка (рис. 88, а).

Рис. 88. Снятие вольт-амперной характеристики диода

Начиная с нуля, будем увеличивать анодное напряжение: 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 в. Анодный ток тоже соответственно будет увеличиваться: 0; 0,2; 0,5; 2,3; 4; 6; 7; 7,5 ма. Замечаем, что, начиная с некоторого напряжения, его дальнейшее увеличение не вызывает роста анодного тока. Полученную зависимость между анодным током I_а и анодным напряжением U_a изобразим графиком (рис. 88, б). График, показывающий зависимость силы анодного тока от анодного напряжения, называется вольт-амперной характеристикой двухэлектродной лампы.

С увеличением анодного напряжения усиливается и анодный ток в цепи, а затем, начиная с некоторого напряжения, он становится постоянным. Выясним причину такой зависимости. С увеличением напряжения усиливается и напряженность электрического поля между анодом и катодом, отчего возрастает количество электронов, попадающих из электронного облака на анод, что и вызывает рост анодного тока. Но при некотором напряжении анодный ток достигает максимальной силы I_н. Это наступает в тот момент, когда сила, действующая на электроны в поле между анодом и катодом, настолько возрастает, что все вылетевшие из катода электроны достигают анода. При этом исчезает электронное облако вокруг катода, которое препятствовало движению электронов к аноду. Дальнейшее возрастание тока невозможно, если температура накала не меняется. Наибольший анодный ток, который может быть при данном накале катода, называется током насыщения.

Рис. 89. Выпрямление переменного тока диодом

Если анод диода подключить к отрицательному полюсу источника, а катод - к положительному (см. рис. 86), то ток через лампу не идет: отрицательно заряженная анодная пластинка своим электрическим полем оттолкнет электроны, и внутри лампы цепь будет незамкнутой (рис. 89). Свойство диода пропускать ток только в одном направлении используется для выпрямления переменного тока. О выпрямлении тока мы судим по отклонению стрелки амперметра в одну сторону. Режим работы диода, например типа 5Ц4С, в качестве выпрямителя (в схеме выпрямителя он называется кенотрон) характеризуется следующими параметрами: напряжение накала 5 в, ток накала 2 а, выпрямленный ток 130 ма и анодное напряжение 450 в.

Задача 29. Определить ускорение, время движения и конечную скорость электронов у анода, если у катода их скорость поступательного движения к аноду равна нулю, напряжение между катодом и анодом 300 в, а расстояние между ними 1 см. Электрическое поле считать однородным.

Из формулы l = v_срt время движения электрона от катода до анода где тогда Вычислим

Движение электрона к аноду равноускоренное, без начальной скорости, поэтому ускорение Вычислим

Отв.: а = 5*10^15м/_сек; t ≈ 2*10^-9 сек; v ≈ 10^7м/_сек.