А.Д. Батраков
Термоэлектронная эмиссия
Электронные лампы получили столь широкое применение в радиотехнике, что практическая радиотехника на современном этапе своего развития вполне может быть названа "техникой электронной лампы". Электронная лампа является сердцем всех современных радиотехнических аппаратов и приборов. С помощью электронной лампы производится генерирование электрических колебаний, усиление, модуляция и детектирование, превращение переменного тока в постоянный и т.д. Без электронной лампы немыслимы такие отрасли радиотехники, как радиотелефония, телевидение, вещание по проводам и пр.
Поэтому всякий желающий изучить радиотехнику должен хорошо изучить устройство и принцип действия электронной лампы во всех ее разновидностях.
Изучение электронных ламп мы начнем с ознакомления с отдельными их элементами, являющимися общими для всех типов электронных ламп. Одним из таких элементов является нить накала или катод.
Как показывает название, нить накала электронной лампы во время ее работы находится в нагретом состоянии. Нагревается нить накала пропускаемым через нее переменным или постоянным током. Накаляется нить электронной лампы не для целей освещения (как в обычной электрической лампе), а для получения свободных электронов, при помощи которых электронная лампа работает.
Для того чтобы наиболее полно рассмотреть вопрос об излучении электронов катодом электронной лампы, напомним некоторые основные положения электронной теории.
Как известно, во всяком металлическом проводнике содержится большое количество свободных электронов, находящихся в состоянии хаотического движения между молекулами проводника.
Скорость хаотического движения свободных электронов тем больше, чем выше температура проводника.
Если температура проводника не очень высока, то хаотическое движение электронов ограничивается рамками самого проводника, т.е. электроны не выходят за пределы проводника. Объясняется это тем. что электрон, находящийся в глубине массы проводника, одновременно испытывает во всех направлениях притягивающие действия со стороны положительных атомов проводника. Электрон же, приблизившийся к поверхности проводника, будет испытывать притяжение со стороны положительных атомов по направлению к центру проводника (рис. 1). Это притяжение отрицательного электрона положительными атомами и не позволяет ему покинуть пределы проводника.
При повышении температуры проводника скорости находящихся в нем свободных электронов возрастают. Электроны, летящие с наибольшими скоростями, преодолевают притяжение положительных атомов проводника и вылетают из его пределов во внешнее пространство.
Количество ежесекундно вылетающих из проводника электронов зависит от материала и размеров проводника и от его температуры. Чем более нагрет проводник, тем больше излучает он электронов.
Электроны, излучаемые нагретым проводником, называются термоэлектронами, а само явление излучения их - термоэлектронной эмиссией.
Типы катодов
Не все металлы являются подходящими для изготовления нитей накала (катодов) электронных ламп. Металл, из которого изготовлена нить накала, должен излучать достаточное количество электронов при температурах, много меньших, чем температура его плавления. Наиболее подходящим металлом, с этой точки зрения, является вольфрам, из которого до настоящего времени и изготовляются нити накала всех электронных ламп.
Для того чтобы получить от вольфрамового катода достаточную эмиссию, его необходимо нагреть до белого каления. Нагревание катода до такой высокой температуры требует большого расхода мощности тока накала, поэтому чисто вольфрамовые катоды относятся к категории неэкономичных катодов и употребляются только в мощных усилительных и генераторных лампах, где основным требованием является электрическая прочность.
В маломощных приемных и усилительных лампах применяются так называемые экономичные катоды, дающие достаточную эмиссию при сравнительно низких температурах накала.
Выше мы видели, что при вылете электронов из раскаленного проводника им приходится преодолевать силу притяжения его положительных атомов.
Энергия, затрачиваемая электроном на преодоление этого притяжения, называется "работой вылета".
Величина "работы вылета" является показателем трудности вылета электронов из данного металла. В катодах, изготовленных из чистого вольфрама, величина "работы вылета" значительна. Поэтому-то вольфрамовые катоды для получения достаточной эмиссии приходится напревать до очень высокой температуры.
В 1913-1914 гг. случайно было обнаружено, что при добавлении к вольфраму двух процентов металла тория эмиссия катода достигает большой величины даже при сравнительно низких температурах.
Такие катоды с примесью тория стали называть торированными. При нагреве тарированного катода до светло-красного каления на его поверхности образуется слой чистого тория толщиной всего в один атом.
Между этим одноатомным слоем тория и вольфрамом возникает так называемая контактная разность потенциалов, причем слой тория по отношению к вольфраму получает положительный заряд (рис. 2).
Положительно заряженный слой тория притягивает к себе электроны из глубины вольфрамового катода и этим облегчает им вылет из катода, т.е. уменьшает "работу вылета".
То радованный катод экономичнее вольфрамового примерно в 10 раз. Недостатком торированного катода является быстрая потеря эмиссии при его перекале, наступающая вследствие испарения поверхностного одноатомного слоя тория.
Восстановить поверхностный слой тория иногда удается путем кратковременного форсированного накала торированной нити (примерно, двойным по силе током), так как при этом на поверхность катода, изнутри его, выходят новые атомы тория. Отличительным внешним признаком электронных ламп с тарированными катодами служит буква Т, стоящая на втором месте в фабричном обозначении типа наших советских ламп, например: УТ-1, ПТ-2 и т. д.
С целью получения более прочного слоя тория на поверхности вольфрамовой нити торированный катод прокаливают в парах нафталина. В результате получается так называемый карбидный или карбидированный катод, в котором между одноатомным слоем тория и вольфрамом расположен слой карбида вольфрама (химического соединения вольфрама с углеродом).
Карбидированный катод несколько экономичнее торированного. Его недостатком является высокая хрупкость. Он не выносит тряски и поэтому лампы с карбидированными катодами нельзя применять в радиопередвижках.
У электронных ламп с карбидированным катодом в названии типа лампы вместо буквы Т стоит буква К, например: УК-30.
Еще более экономичным является бариевый катод, дающий удовлетворительную эмиссию почти при темном накале. Бариевый катод экономичнее торированного в 4-5 раз.
Принцип работы бариевого катода такой же, как в тонированного катода.
Так же, как и торированный катод, он представляв! собой вольфрамовую нить, покрытую одноатомным слоем бария. Покрытие вольфрамовой проволоки слоем бария производится уже после изготовления всей лампы, путем испарения кусочка бария, прикрепленного к аноду лампы. Часть паров бария оседает при этом, на стенках баллона лампы, образуя на них налет, поглощающий остатки воздуха в лампе. Бариевый катод в меньшей степени теряет эмиссию при перекале, чем торированный, и поэтому является более удобным в эксплуатации.
Комментарии
В фабричных обозначениях
В фабричных обозначениях типов наших бариевых ламп на втором месте стоит буква Б. Например: УБ-107, УБ-132, ПБ-108 и т.д.
К экономичным катодам относится также оксидный, который представляет собой металлическую проволоку, изготовленную из сплава никеля с железом и другими металлами, покрытую слоем химического соединения (оксида) металла бария с углеродом и кислородом.
При работе оксидного катода на его поверхности образуется одноатомный слой чистого бария, уменьшающий "работу вылета" электронов.
Оксидные катоды дают удовлетворительную эмиссию при тёмно-красном накале. Лампами с оксидными катодами являются: УО-3, ВО-116, УО-104 и др.
Понятие "катод" и "нить накала" не всегда являются тождественными.
В так называемых "подогревных" лампах катодом является активный оксидный слой, нанесенный на никелевую трубочку. Внутри этой никелевой трубочки помещен фарфоровый цилиндр, имеющий два продольных канала, через которые протянута вольфрамовая нить накала (подогревная нить). Ток, проходящий по этой нити, нагревает фарфоровый цилиндр и никелевую трубочку до температуры темно-красного каления. Схематически устройство "подогревного" катода или, как его еще иначе называют, "катода с косвенным накалом", показано на рис. 3.
Подогревные лампы применяются в сетевых приемниках для уменьшения неприятного фона, создаваемого 50-периодным переменным током электросети.
ЭФФЕКТ ЭДИСОНА
Нить обычной электрической лампочки накаливания также излучает электроны. В обычных условиях эти электроны под действием силы притяжения положительных ионов нити "падают" обратно на нить. Таким образом вокруг накаленной нити всегда имеется слой "электронного газа", состоящего из электронов, вылетающих ив нити и возвращающихся обратно к ней. Этот слой "электронного газа" часто называют также "электронным облачком" или пространственным зарядом.
Признаки существования пространственного заряда были замечены еще Эдисоном. Эдисон, производя один из своих многочисленных опытов с лампой накаливания, ввел внутрь баллона лампы, из которого был выкачан воздух, металлическую пластинку (анод). Соединив анод с положительным полюсом батареи, накаливающей нить (катод) лампы, Эдисон заметил, что по проводнику, соединяющему анод с катодом, течет электрический ток (рис. 4). При соединении же анода с отрицательным полюсом батареи тока в соединительном проводнике не обнаруживалось. Это явление было названо эффектом Эдисона, хотя сам Эдисон так и не смог объяснить, каким образом электрический ток может проходить через "пустоту" внутри электрической лампы от анода к катоду.
Внутреннее содержание явления Эдисона, так сказать, "закулисная сторона" его состояла в том, что часть электронов из электронного облачка притягивалась положительно заряженным анодом (в том случае, когда он был соединен к положительным полюсом батареи), образуя внутри лампы постоянный поток электронов в направлении от нити к аноду или, что одно и то же, - электрический так от анода к нити. Убыль электронов в "облачке" непрерывно восполнялась за счет их эмиссии накаленной нитью.
В том же случае, когда анод был заряжен отрицательно, вследствие того, что он был соединен с отрицательным полюсом батареи, он отталкивал отрицательно заряженные электронные "облачка" и в этом случае тока между анодом и катодом не наблюдалось.
ДВУХЭЛЕКТРОДНАЯ ЛАМПА Анод и
ДВУХЭЛЕКТРОДНАЯ ЛАМПА
Анод и катод являются электродами, входящая в конструкцию каждой современной электронной лампы. Ток, протекающий внутри электронной лампы от анода к катоду, называется анодным током (обозначается Iа), а ток, накаливающий катод, - током накала (обозначается If ).
Накаливать нити можно как постоянным током, так и переменным. В том случае, если нить накала питается постоянным током от батареи, последняя называется батареей накала и обозначается Бн.
Обычно, для увеличения анодного тока между анодом и катодом включается специальная батарея, называемая анодной батареей (обозначается Ба).
На рис. 5 изображена конструкция простейшей электронной лампы, содержащей только два электрода - анод и катод. Такая лампа называется двухэлектродной или диодом. Двухэлектродная лампа представляет собой стеклянный баллон, из которого выкачан воздух. Внутри баллона заключены анод и катод, укрепленные на специальной стеклянной ножке. Катод выполнен в виде тонкой металлической (вольфрамовой) нити, а анод - в виде металлического (или никелевого, молибденового пли танталового) цилиндра, окружающего катод. Выводы от концов нити накала и от анода сделаны вниз, к специальным штепсельным ножкам, укрепленным на карболитовом цоколе.
На рис. 6 приведено схематическое (упрощенное) изображение двухэлектродной лампы с присоединенными батареями и измерительными приборами в цепях накала и анода.
Для выяснения зависимости силы анодного тока двухэлектродной лампы от напряжения батареи накала и анода произведем следующий опыт. Установим какое-нибудь постоянное напряжение накала и будем постепенно, начиная oт нуля, увеличивать напряжение анодной батареи.
В начальный момент, когда напряжение на аноде лампы еще отсутствует, анодный ток будет практически равен нулю, так как электроны из "облачка" не будут притягиваться анодом и лишь очень незначительная часть электронов, обладающих наибольшими скоростями, будет "пробиваться" через отталкивающий их пространственный заряд.
По мере увеличения анодного напряжения анод будет "отсасывать" от "облачка" все большие и большие количества электронов и, следовательно, анодный ток будет увеличиваться. Однако увеличение анодного тока будет продолжаться только до тех пор, пока все электроны, излучаемые нитью, не будут немедленно же попадать на анод. Совершенно очевидно, что когда анодное напряжение достигнет такой величины, что анод будет притягивать к себе все электроны, вылетающие из катода. Дальнейшее увеличение анодного тока прекратится, сколько бы мы ни увеличивали анодное напряжение. Этот наибольший анодный ток, когда на анод попадают все электроны, излучаемые нитью, называется током насыщения.
Характеристики лампы, снятые при разных значениях напряжения накала
На рис. 7 приведена кривая зависимости анодного тока двухэлектродной лампы от анодного напряжения при постоянном напряжении батареи накала. Такая кривая, построенная на основании измерений различных значений анодного напряжения и соответствующих им значений анодного тока, при неизменном напряжении на нити накала, называется характеристики данной лампы. Характеристики одной и той же лампы, снятые при разных значениях напряжения накала, будут отличаться в верхней своей части друг от друга (рис. 8). 0бъсняется это тем, что чем выше напряжение батареи накала, тем большей силы ток будет протекать через нить данной лампы, и, следовательно, тем выше будет температура нагрева катода. А с увеличением температуры катода быстро растет число электронов, излучаемых катодом (рис. 9). Следовательно, чем выше будет напряжение накала, тем больше будет ток насыщения, т.е. тем выше будет подниматься характеристика лампы (рис. 8).
Группа характеристик двухэлектродной лампы, снятых при различных напряжениях накала, называется семейством характеристик двухэлектродной лампы.
Источник: Батраков А.Д. Электронная лампа "Радиофронт", 1938, - №20. - С.46-49