Читальный зал -->  Промышленная электроника 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 [ 18 ] 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

Раздел 2. ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ

Глава 2.1. ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ

2.1.1. Работа выхода электронов

Электронной эмиссией называют процесс испускания электронов с поверхности вещества в вакуум. На этом явлении основан принцип действия электровакуумных приборов.

В атомах металла валентные электроны внешнего слоя электронной оболочки слабо связаны с ядром. При образовании кристаллов валентные электроны перестают принадлежать данному атому и становятся свободными, а атомный остаток превращается в положительный ион. Поэтому кристаллическая решетка металла образуется положительными ионами, а между узлами решетки, в которых эти ионы расположены, хаотически перемещаются свободные электроны - электроны проводимости. Как было показано в главе 1.1, этому соответствует диаграмма энергетических уровней металла, в которой разрешенные энергетические зоны перекрывают друг друга и между валентной и свободной зонами нет запрещенной зоны.

При движении внутри кристаллической решетки металла свободные электроны, являясь носителями заряда, взаимодействуют друг с другом и с положительными ионами, так что их скорость, направление движения и кинетическая энергия все время изменяются. Энергия электрона внутри металла не равна нулю даже при температуре абсолютного нуля. С увеличением энергии возрастает число электронов, обладающих ею.

Максимальная энергия электрона внутри металла при температуре абсолютного нуля называется уровнем Ферми Wi и является постоянной величиной для данного металла. Максимальной энергией Wi при температуре абсолютного нуля обладает наибольшее число электронов, и нет электронов с большей энергией, чем Wi.

При повышении температуры происходит перераспределение энергии между электронами: часть электронов, имевших энергию Wi и близкую к ней, получает дополнительную энергию, т. е. появляется некоторое число электронов с большей, чем W энергией, но уменьшается число электронов с энергией, равной Wi и немного меньшей.

Однако, несмотря на большую энергию электронов, их выходу из металла в вакуум при низких температурах препятствуют два фактора.

Во-первых, электроны с максимальной энергией Wi и скоростью, направленной перпендикулярно поверхности металла, вылетая из него, создают на поверхности слой, заряженный отрицательно, а оставшиеся в металле ионы, не уравновешенные электронами, создают у поверхности слой, заряженный положительно (рис. 2.1).

©S

©

Рис. 2.1. Двойной электрический слой на поверхности металла

Во-вторых, на поверхности металла электрон испытывает силы притяжения к положительным ионам, направленные внутрь металла.

Таким образом, для выхода на поверхность электрон, находящийся внутри металла, должен обладать максимальной энергией, затрачиваемой им на преодоление двойного электрического слоя на границе металл - вакуум, а для отрыва от поверхности металла - получить извне дополнительную энергию Wo, идущую на преодоление сил притяжения к положительным ионам металла.

Дополнительная энергия, необходимая электрону, имеющему внутри металла максимальную энергию Wi, для выхода в вакуум, называется работой выхода Wq. Полная энергия электрона W, минимально необходимая для выхода его из металла, равна сумме максимальной внутренней энергии и работы выхода:

W,= Wi Wo.

Если электрон обладал в металле меньшей, чем Wi, энергией, то для выхода в вакуум ему должна быть извне сообщена энергия большая, чем работа выхода, на величину энергии, недостающей до максимального значения Wi.

Работу выхода принято выражать в электрон-вольтах (эВ). Величина работы выхода постоянна для каждого материала; например, для вольфрама 4,52 эВ, для тантала 4,2 эВ, для бария 2,52 эВ. Покрытие поверхности металла некоторыми веществами уменьшает работу выхода. Например, полупроводниковый слой окиси бария с примесью чистого бария имеет работу выхода 1,1 эВ.

2.1.2. Виды электронной эмиссии

В зависимости от способа сообщения электронам дополнительной энергии для совершения работы выхода различают несколько видов электронной эмиссии: термоэлектронная, фотоэлектронная, автоэлектронная, вторичная. Электрод, испускающий электроны, называют катодом.

Термоэлектронная эмиссия происходит за счет тепловой энергии, сообщаемой электроду при нагреве. Эмиссия происходит при такой температуре, когда дополнительная энергия, передаваемая электронам проводимости, равна или больше работы выхода. Электрод, испускающий электроны за счет нагрева, называют термокатодом. Поток электронов, испускаемых катодом в единицу времени, создает ток электронной эмиссии. Ток термоэлектронной эмиссии зависит от температуры нагрева катода. Термоэлектронная эмиссия используется в электронных лампах.

Фотоэлектронная эмиссия происходит за счет световой энергии. Она используется в фотоэлементах и фотоумножителях. Электрод, испускающий электроны под действием света, называют фотокатодом.

Автоэлектронная эмиссия происходит только под действием внешнего электрического поля.

Вторичная электронная эмиссия обусловлена бомбардировкой поверхности вещества первичными электронами или ионами. Электроны, вылетающие при этом в вакуум, называют вторичными, а электрод, испускающий их, - динодом. Вторичная эмиссия под ударами электронов используется в фотоумножителях, а под ударами ионов - в газоразрядных приборах.

2.1.3. Термокатод

Нагрев термокатода осуществляется электрическим током, поэтому температура катода зависит от напряжения или тока накала.

В зависимости от материала, из которого изготовлен катод, различают два типа катодов: из чистых металлов, например вольфрамовый, и полупроводниковые (с полупроводниковым активным слоем значительной толщины), например оксидные. Наибольшее распространение в электронных лампах получили оксидные катоды. Оксидный катод состоит из вольфрамового или никелевого керна, на который нанесен слой из смеси окислов бария, стронция и кальция с вкраплением атомов металлического бария. Оксидный слой является полупроводником п-типа. Он имеет очень малую работу выхода, низкую рабочую температуру (1000-1100 К) и дает большой ток эмиссии на каждый ватт мощности накала - до 60-100 мА/Вт. Для оксидного като-

да важны высокая степень вакуума, чтобы оксидный слой не разрушался ионной бомбардировкой, и стабильный режим накала; перекал и недокал приводят по разным причинам к разрушению оксидного слоя и потере эмиссии катодом.

По конструкции термокатоды делят на катоды прямого и косвенного накала.

В катодах прямого накала ток проходит непосредственно по нити, испускающей электроны. Такой катод обладает малой тепловой инерцией и, следовательно, малым временем разогрева (1-2 с), а также требует небольшой мощности на накал. Однако накал нельзя питать переменным током, так как при этом из-за малой тепловой инерции пульсирует температура катода, а значит, и ток эмиссии. Катод прямого накала изготовляют в виде тонких проволочных нитей из тугоплавкого металла, например вольфрама, молибдена.

В катодах косвенного накала поверхность, эмиттирующая электроны и являющаяся собственно катодом, изолирована от нити накала, называемой подогревателем. Конструкция катода косвенного накала представляет собой полый цилиндр из никеля, покрытый оксидным слоем, внутри которого вставлен подогреватель, покрытый изолирующим слоем. Катод косвенного накала имеет большую массу, требует большую мощность на накал, поэтому он дает меньший ток эмиссии на 1 Вт мощности накала, чем катод прямого накала, а время разогрева его больше - до 16-20 с. Преимущество этого катода - одинакрвый потенциал во всех его точках и большая тепловая инерция, что позволяет питать накал переменным током.

2.1.4. Движение электрона в электрическом поле

В электронных лампах электроны, вылетавшие из катода, попадают в электрическое поле между электродами. На электрон в этом поле действует постоянная сила, направленная в сторону положительного электрода. Под действием этой силы электрон движется равноускоренно.

Если начальная скорость электрона равна нулю, то его скорость и энергия в любой точке поля определяется только величиной пройденной разности потенциалов; скорость может быть определена по формуле:

v = 60(У{й км/с.

В электронных приборах скорости электронов очень велики; например, при напряжении между электродами, равном 100 В, скорость электрона при падении его на анод равна 6-10 м/с. Поэтому электронные процессы в электровакуумных приборах можно считать безынерционными.

Если начальная скорость электрона направлена навстречу силе электрического поля (в сторону отрицательного электрода), то электрон движется равнозамедленно, так как поле для него является тормозящим. Ускоряющие и тормозящие электрические поля используются в электронных лампах для управления потоком электронов, вылетающих из катода.

Если начальная скорость направлена перпендикулярно силе электрического поля, то электрон движется по параболе в сторону более высокого потенциала. В общем случае - при начальной скорости, направленной под углом к силовым линиям, - траектория электрона также представляет собой параболу. Подбирая определенную конфигурацию электрического поля, можно управлять потоком электронов - фокусировать его и отклонять в нужном направлении. Этим занимается электронная оптика. В электровакуумных приборах электростатическая фокусировка и отклонение Электронного пучка осуществляются в электроннолучевых трубках.

Электронная лампа, имеющая два электрода - катод и анод, называется электровакуумным диодом и предназначена для выпрямления переменного тока. В современной аппаратуре эти лампы почти полностью вытеснены полупроводниковыми диодами.

Контрольные вопросы

1.Что называют электронной эмиссией и при каких условиях она возможна?

2. Какие виды электронной эмиссии бывают и где каждый из них используется?

3. Как устроен термокатод?

Глава 2.2. ТРИОД

2.2.1. Устройство и принцип действия триода

Триодом называют трехэлектродную лампу, имеющую катод, анод и управляющую сетку.

В электронных лампах используют в основном оксидный термокатод косвенного накала. Анод может быть цилиндрической или плоской формы, изготовляется обычно из никеля и имеет ребра для лучшей теплоотдачи. С этой же целью аноды делают чернеными, покрывая слоем графита. Катод помещается внутри анода. Сетка выполняется в виде проволочной спирали и помещается между катодом и анодом (ближе к катоду) (рис. 2.2.). Электроды приварены к держателям, которые впаяны в стеклянную ножку. Все это помещено в стеклянный или металлический

баллон с цоколем, который имеет штырьки, служащие внешними выводами электродов. Они электрически соединяются с внутренними выводами подогревателя, катода, сетки и анода. Из баллона откачивают воздух до давления 10 -10~ гПа, т. е. создают вакуум.

Оксидный слой

Рис. 2.2. Триод: а - схематическое устройство; б, в - конструкции катодов прямого и косвенного накала; г, д - конструкции анода и сетки

ни а

Рис. 2.3. Условные графические обозначения одинарного (а) и двойного (б) триодов и схема вк.,1ючения триода (в)

Схема включения триода (рис. 2.3) содержит три цепи: цепь накала, цепь анода и цепь сетки. В цепи накала протекает ток накала / , а между выводами подогревателя действует напряжение накала U. Накал подогревателя осуществляется переменным током, напряжение накала при работе лампы остается неизменным.

Цепь анода включает источник анодного питания Е, промежуток анод - катод лампы и соединительные провода. Чтобы электроны, вылетающие из катода, попадали на анод, электрическое поле в лампе должно быть для них ускоряющим. Поэтому на анод подается от источника питания положительное напряже-

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 [ 18 ] 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

ООО «Мягкий Дом» - это Отечественный производитель мебели. Наша профильная продукция - это диваны еврокнижка. Каждый диван можем изготовить в соответствии с Вашими пожеланияи (размер, ткань и материал). Осуществляем бесплатную доставку и сборку.



Звоните! Ежедневно!
 (926)274-88-54 
Продажа и изготовление мебели.

Копирование контента сайта запрещено.
Авторские права защищаются адвокатской коллегией г. Москвы.