Почему вакуумный диод обладает односторонней проводимостью? - GazSnabStroy.ru
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд (голосов: 1, средняя оценка: 5,00 из 5)
Загрузка...

Почему вакуумный диод обладает односторонней проводимостью?

Все что нужно знать о вакуумном диоде

Собирая различные электрические приборы в своей домашней лаборатории, многие люди не только экономят деньги на приобретении новой техники, но и чинят вышедшие из строя электроизделия. Для полноценной работы многих приборов требуются диоды, которые сегодня представлены самыми разнообразными экземплярами. В сегодняшней статье речь пойдет о таком элементе, которые довольно часто встречается в электрических схемах – вакуумный диод.

Чтобы правильно использовать такую детальку, необходимо знать ее устройство, а также какая схема и принцип работы для нее характерны. Обо всем этом вы узнаете из этой статьи.

Что представляет собой устройство

Современный диод вакуумного типа представляет собой баллон, выполненный из металлокерамики или стекла, лишенный воздуха. Их этого баллона выкачивают воздух до давления, находящегося на уровне 10-6 — 10-7 мм рт. ст. Отсюда и название данного элемента электросхем.

Строение диод вакуумного типа

Внутри такой баллон размещены два электрода. Одним из них является катод. Он имеет вид металлического вертикального цилиндра, который покрыт слоем оксида щелочно-земельных металлов (кальция, стронция, бария). Благодаря такому напылению данный элемент получил название оксидный катод.

Обратите внимание! При его нагревании с поверхности происходит значительно большее испускание электродов, чем с обычного металлического элемента аналогичного вида.

Катод внутри содержит изолированный проводник, нагреваемый переменным или постоянным током. При нагревании, катод испускает электроны, которые движутся и достигают второго элемента вакуумного диода – анода.
Анод имеет вид овального или круглого цилиндра. Он с катодом имеет общую ось. Схема диода вакуумного типа имеет следующий вид.

Схема диода вакуумного типа

Кроме вакуумного диода существует еще такое понятие, как электровакуумный диод.
Под собой электровакуумный диод подразумевает двухэлектродную вакуумную электронную лампу. Ее строение аналогично диоду вакуумного типа. По сути это одно и тоже. Здесь катод представляет собой W-образную или прямую нить. Он, в процессе работы такой лампы, нагревается до определенной температуры. В результате нагрева возникает термоэлектронная эмиссия. В ходе подачи на анод отрицательного напряжения относительно катода, электроны возвращаются обратно на катод. Когда на анод подается положительное напряжение, часть из эмитированных электронов начинает двигаться в нему. В результате возникает ток.
В результате своей работы вакуумные диоды и их аналоги способны на выпрямление приложенного к ним напряжения. Таким основным своей свойством обладают вакуумные выпрямители, поэтому они используются в качестве детекторов сигналов высокой частоты и выпрямления переменного тока.
Такое устройство характерно для всех изделий подобного типа. При этом данное устройство и определяет основные характеристики изделия, а также то, какое применение оно будет иметь.

Обратите внимание! Частотный диапазон для диода вакуумного типа несколько ограничен и не превышает 500 МГц. При этом интегрированные в волноводы дисковые диоды, способны на детектирование частоты до 10 ГГц.

Формы основных элементов диода

Форма катода и анода

Катод, входящий в состав диода вакуумного типа, зачастую имеет вид латинских букв W или V. Такая форма используется для увеличения длины изделия. В тоже время анод будет более выгодным, если станет изготавливаться в виде коробки, лишенной боковых граней. В сечении анод имеет форму прямоугольника с закругленными углами.

Такая форма анода определяется необходимостью для того, чтобы он во всех направлениях по возможности находился на одинаковом расстоянии от нагреваемого катода. По этой причиной наиболее выгодной формой для обоих элементов является эллиптическая.
Чтобы снизить степень нагрева анода в его устройстве часто фигурируют ребра (крылышки). Благодаря их наличию, анод имеет более качественное отведение тепла.
И катод и анод в баллоне крепятся при помощи специальных держателей. Для большего удобства в эксплуатации, внизу лампы устанавливается цоколь, состоящий из изоляционного материала. Он оснащен металлическими ножками-штырьками. Эти штырьки обеспечивают контакт лампы при включении ее в гнезда ламповой панели.
Вот такое устройство имеет электровакуумная лампы или диод вакуумного типа.

Принцип функционирования диода вакуумного типа

Чтобы схема, в которую входит выпрямитель вакуумного типа, работала как надо, следует понимать принцип работы такой детали.

Принцип работы диода

Принцип работы вакуумных диодов представляет собой следующую картину:

  • в ходе разогрева катода, электроны с его поверхности начнут отделяться;
  • их отделение происходит за счет формирования термоэлектронной эмиссии;
  • освобожденные с поверхности электроны начинают препятствовать вылету других электронов. В следствии этого вокруг поверхности катода образуется облако электронов;
  • часть электронов этого облака, обладающие наименьшими скоростями, опускается обратно на поверхность катода;
  • в ситуации, когда задается определенная температура, облако электронов стабилизируется. Это означает, что с катода вылетает столько же электронов, сколько потом на него опускается;
  • при наличии нулевого напряжения, например, при ситуации короткого замыкания анода на катоде, в лампе начинает течь ток электронов по направлению от катода к аноду. В данной ситуации наиболее быстрые электроны способны преодолеть имеющуюся потенциальную яму, из-за чего они и притягиваются к аноду. Отсечка тока происходит в той ситуации, когда на анод подается отрицательное запирающее напряжение. Это напряжение должно иметь один вольт или ниже.
  • в ситуации подачи положительного напряжения на анод, в диоде формируется ускоряющее поле, которое способствует возрастанию на аноде тока. Когда ток на этом элементе достигает значений, которые близки в пределу эмиссии катода, происходит замедление роста тока и его стабилизация. Т.е. наблюдается эффект «насыщения».

Вот по такому принципу работают диоды вакуумного типа.

Важная характеристика диодного элемента – ВАХ

Все диоды, в не зависимости от того, вакуумные оны или нет, обладают таким параметром, как вольт амперная характеристика или сокращенно ВАХ.

ВАХ вакуумного диода

Чтобы разобраться, что же это за вольт амперная характеристика, рассмотрим график на примере происходящих в лампе процессов.
В самом начале, когда на аноде отсутствует напряжения, вокруг катода в следствие его нагрева формируется электронное облако. Когда на аноде возникает положительное небольшое напряжение, самые быстрые электроны, входящие в электронное облако катода, начинают устремляться к аноду. В результате можно регистрировать анодный ток небольшой величины. В ситуации, когда анодное напряжение будет продолжать увеличиваться, из электронного облака все большее число электронов будут перетекать к аноду в плоть до полного «рассасывания» катодного электронного облака. Это состояние соответствует точке В на графике, приведенном выше. Такое напряжение означает, что всех вылетающие из катода электроны будут немедленно притягиваться к аноду.
Обратите внимание! Дальнейшее нарастание анодного тока при сохранении величины накала не происходит. Чтобы добиться увеличение данного показателя необходимо использовать дополнительные электроны. А они здесь отсутствуют. Для этого увеличения показателя можно повысить накал катода, но такой способ не используется поскольку приводит к уменьшению срока службы катодного элемента.
Таким образом вся эмиссия катода при конкретной температуре накала будет исчерпана. В результате анод достиг ситуации «насыщения током».
Все эти процессы, поэтапно, отращены на вольт амперной характеристики, приведенной выше. Такой параметр, как вольт амперную характеристику в высшей точке, можно рассматривать как предел возможностей диода.
Как видим принцип работы изделия неотделим от ВАХ. При этом последняя является его отражением.

Где используются такие изделия

Применение электровакуумных ламп определяется их основными возможностями или свойствами, а именно способностью пропускать ток только в одном направлении. Это связано с тем, что в диоде движение электронов возможно только от катода к аноду. Иногда такое свойство диодных выпрямителей называется односторонней проводимостью. Благодаря такому свойству, вакуумные диоды применяются в качестве преобразователя постоянного тока в переменный (его выпрямления). Такие способности данного рода изделий обеспечили им обширное применение в радиоаппаратуре.

Обратите внимание! Использование диода вакуумного типа позволит решить проблему питания радиоаппаратуры от промышленной сети переменного тока.

Схема, по которой можно использовать диода в качестве выпрямителя для переменного тока, довольно проста.

Схема диода, работающего как выпрямитель

В данной ситуации между анодом и катодом следует включить источник переменного тока. Вверху графика отражено напряжение источника переменного тока. Здесь имеется периодическое его изменение с определенной частотой по типу синусоиды. С такой же чистотой меняется напряжение на аноде по отношению к катоду. Часть времени анод будет положительным (верхняя часть графика), а часть – отрицательным (нижняя часть графика).
При положительных полупериода на аноде будет положительное напряжение. В такой ситуации ток будет течь, а при противоположном значении полупериода – он будет отсутствовать. В результате получаться импульсы, равные по частоте переменному току.

Заключение

Зная особенности функционирования диодов вакуумного типа, можно максимально полно использовать их особенности в работе радиоэлектронных приборов. Помните, что каждый вид диодов имеет свои особенности и способен оптимально работать в определенных условиях. Учет всех параметров его работы, а также ВАХ, позволит выжать из изделия максимум без нарушения принципов его функционирования.

Читайте также:  Что можно сделать с помощью гравера?

Принцип устройства и работы вакуумного диода

Особенностью электронных ламп является их пригодность для работы с переменными токами различнейших частот вплоть до самых высоких. Вследствие практического отсутствия инерции электронные лампы могут работать при таких высоких частотах, которые недоступны каким-либо другим устройствам.

Простейшей электронной лампой является диод. Слово «диод», основой которого служит греческий корень «ди» — два, означает, что в этой лампе имеются два электрода.

Первый из этих электродов нам уже знаком – это катод, служащий для получения потока электронов и необходимый в каждой электронной лампе, к какому бы типу она ни относилась. Вторым электродом является металлическая пластика – анод. Таким образом, диод – двухэлектродная электронная лампа – представляет собой стеклянный или металлический баллон, из которого выкачан воздух и внутри которого находятся катод и анод. От этих электродов сквозь стенки баллона проходят выводы. Если баллон стеклянный, то выводы впаиваются в стекло. Если же баллон металлический, то выводы можно сделать, например, через стеклянные бусинки, впаянные в металл.

От анода делается один вывод. Если нить накала одновременно является и катодом, то от нее делаются два выводы (от концов нити). Если катод подогревный, то у него делают три вывода – два от подогревающей нити и один – от излучающего слоя, т. е. от собственного катода.Внутри баллона лампы создается очень высокий вакуум, вполне достаточный для того, чтобы электроны могли беспрепятственно вылетать из раскаленного катода. Поэтому, если катод диода нагреть до нужной температуры, из него начнется электронная эмиссия и электроны образуют вокруг катода своего рода электронное облачко. Образование из катода, испытывают отталкивающее действие со стороны ранее вылетевших электронов, поэтому они не могут отлететь на значительное расстояние от катода. Часть электронов, имеющих наименьшие скорости, падает обратно на катод. В конце концов электронное облачко стабилизируется: на катод попадает столько же электронов, сколько из него вылетает. Облачко представляет собой запас свободных электронов в вакууме, пригодный для использования.

Второй находящийся в баллоне диода электрод – анод – предназначен для использования электронов вылетающих из катода, и для управления ими. С этой целью к катоду и аноду лампы подводится электрическое напряжение, например от батареи.

Очевидно, это напряжение можно подвести к лампе двумя способами: минус источника питания к катоду и плюс к аноду или наоборот.

Если мы присоединим плюс источника питания к катоду, минус к аноду, то электроны, вылетающие из раскаленного катода, нельзя будет использовать по двум причинам. Во-первых, электроны, покинувшие катод с небольшой скоростью, будут, очевидно, возвращаться обратно на катод, который в этом случае имеет положительный заряд и поэтому будет стремится притянуть к себе отрицательно заряженные электроны. Во-вторых, электроны, получившие при вылете достаточно большую скорость и концентрирующиеся в виде электронного облачка вокруг катода, окажутся бесполезными, так как отрицательно заряженный анод лампы не только не будет их притягивать, но и наоборот – станет их отталкивать обратно к катоду.

Иначе будет обстоять дело тогда, когда мы присоединим плюс источника напряжения к аноду, а минус – к катоду. Одновременно в цепь батареи включим миллиамперметр. В этом случае включенный в цепь миллиамперметр отметит прохождение тока. Этот ток будет течь по следующей цепи: батарея – катод лампы – пространство между катодом и анодом лампы – миллиамперметр – батарея. Ток в цепи возникает тогда, когда плюс батареи присоединен к аноду, а минус – к катоду. Этим и объясняется название второго электрода лампы: «анод» (в электротехнике анодом принято называть электроды, соединенные с положительным полюсом источника тока, а катодом – соединенные с отрицательным полюсом). В соответствии с этим текущий через лампу ток, образованный потоков электронов, несущихся от катода к аноду, называют анодным током. Анодный ток обозначается обычно символом Іа, а напряжение на аноде Uа. В отличие от него напряжение накала лампы обозначается символом Uн.

Чем же определяется величина Іа?

Чтобы ответить на этот вопрос, произведем такой опыт. Раскалим катод до нужной температуры и будем подавать на анод положительное напряжение, начиная с самого небольшого и постепенно увеличивая его. При каждом изменении анодного напряжения будем по миллиамперметру отмечать величину тока в цепи. Если мы затем по записанным отсчетам построим график, откладывая на горизонтальной оси величины напряжения на аноде, а на вертикальной – соответствующие величины анодного тока, то получим кривую, подобную показанной на рисунке:При отсутствии анодного напряжения, т. е. при Uа=0, электроны к аноду не притягиваются, анодный ток будет равным нулю (Іа=0). Анодный ток возникает после того, как на анод будет подано положительное напряжение. По мере его увеличения анодный ток будет возрастать, причем рост его вначале до точки А идет медленно, а затем быстрее. Такое быстрое возрастание тока продолжается, пока он не достигнет некоторого значения, соответствующего точке Б. При дальнейшем повышении анодного напряжения рост анодного тока замедляется. Наконец, в точке В он достигает наибольшей величины. Дальнейшее повышение анодного напряжения уже не сопровождается увеличением анодного тока.

Кривая, показывающая зависимость величины анодного тока двухэлектродной лампы от напряжения на ее аноде, называется характеристикой лампы и служит для технических расчетов, связанных с использованием лампы.

Чем же объясняется такая форма вольт-амперной характеристики (ВАХ) вакуумного диода?

Чтобы понять это, проследим за происходящими в лампе процессами.

Вначале, при отсутствии на аноде напряжения, излучаемые катодом электроны скапливаются вокруг него, образуя электронное облачко. При появлении на аноде небольшого положительного напряжения некоторые электроны обладающие большей скоростью, чем остальные, начинают отрываться от облачка и устремляться к аноду, создавая небольшой анодный ток. По мере увеличения анодного напряжения все большее количество электронов будет отрываться от облачка и притягиваться анодом. Наконец при достаточно большом напряжении на аноде все электроны окружающие катод, будут притянуты, электронное облачко совершенно «рассосется». Этот момент соответствует точке В вольт-амперной характеристики диода. При таком анодном напряжении все вылетающие из катода электроны будут немедленно притягиваться анодом. Дальнейшее увеличение анодного тока при данной величине накала невозможно. Для этого потребовались бы дополнительные электроны, а их взять негде. Вся эмиссия катода, соответствующая данной его температуре, зависящей от величины накала, исчерпана.

Анодный ток такой величины, какая устанавливается при полном использовании всей эмиссии катода, называется током насыщения. Увеличить этот ток можно только одним способом – повысить накал катода, но этот способ не применяется, потому что он сокращает срок службы катода.

До сих пор мы говорили об аноде, как о металлической пластинке находящейся внутри баллона лампы и имеющий вывод наружу. Делать анод действительно в виде пластинки было бы невыгодно, так как катод излучает электроны во всех направлениях, а пластинку можно поместить только с одной его стороны. В практических конструкциях диодов анод обычно имеет форму цилиндра, окружающего катод (см. рисунок вначале). При таком устройстве лампы все излучаемые катодом электроны с одинаковой силой притягиваются анодом.

Цилиндрическая форма анода наиболее выгодна тогда, когда катод имеет прямолинейную форму. Если катод имеет вид латинских букв V или W, что часто делается для увеличения его длинны, то анод оказывается более выгодно делать в виде коробки без двух противоположных боковых стенок. Такой анод в сечении имеет прямоугольную форму, часто с закругленными углами.

У ламп с подогревным катодом аноду придают такую форму, чтобы он во всех направлениях отстоял по возможности на одинаковом расстоянии от катода. Наиболее широко применяется цилиндрический подогревный катод и соответственно цилиндрический анод. Очень выгодной оказывается эллиптическая форма катода и анода.

Для уменьшения нагрева анода его часто снабжают ребрами, или крылышками, которые способствуют лучшему отводу от него тепла.

Электроды лампы крепятся внутри ее баллона на стеклянной стойке при помощи держателей. Для удобства пользования лампой к ее нижней части прикрепляется цоколь из изоляционного материала, снабженный металлическими ножками штырьками. Эти штырьки при установке лампы в аппарат входят в гнезда ламповой панельки, чем достигается, с одной стороны, крепление лампы в аппарате и, с другой, соединение электродов лампы с нужными частями схемы. Электроды лампы соединяются со штырьками выводными проводниками, впаянными в стеклянную стойку. Лампы небольших размеров делают без цоколей, укрепляя штырьки непосредственно в стеклянном дне баллона.Для каких целей может быть использована двухэлектродная вакуумная лампа?

Возможности использования этой лампы определяются ее основным свойством – способностью пропускать ток только в одном направлении, так как движение потока электронов возможно в лампе лишь от катода к аноду. Это свойство диода, которое иногда называют односторонней проводимостью, является весьма ценным. Оно позволяет использовать диод для преобразования переменного тока в постоянный или, как чаще говоря, для выпрямления переменного тока. Способность диода выпрямлять переменный ток в свое время широко использовалось в радиоаппаратуре, в частности эта способность диода вместе с применением подогревного катода позволила решить проблему питания радиоаппаратуре от промышленной сети переменного тока.

Читайте также:  Можно ли пробурить скважину в колодце?

Схема использования диода как выпрямителя переменного тока очень проста. Между катодом и анодом включен источник переменного тока. Понять процессы, происходящие в этой схеме, лучше всего при помощи графика, показанного на рисунке:Верхняя часть графика изображает напряжение источника переменного тока. Оно изменяется периодически с определенной частотой: характер изменения может быть выражен кривой, носящей название синусоиды. С такой же частотой изменяется и напряжение на аноде лампы относительно ее катода. В течении половины каждого периода напряжение на аноде будет положительным, а в продолжение второй полуволны периода – отрицательным. Положительные полупериоды синусоиды на графике сверху.

Во время положительных полупериодов на аноде лампы будет положительное напряжение и через лампу будет течь ток. Во время отрицательных полупериодов, когда анод заряжается отрицательно, электроны отталкиваются от анода и ток через лампу не течет. Измерительный прибор, включенный в анодную цепь лампы, будет регистрировать отдельные импульсы или толчки тока, по одному в течении каждой положительной половины периода; следовательно, число таких импульсов в секунду окажется равным частоте переменного тока.

Нормально в цепи переменного тока происходит, как известно, движение электронов то в одну то в другую сторону. Так как движение электронов представляет собой электрический ток, то можно сказать, что в такой цепи ток течет попеременно то в одну, то в другую сторону. Но если в цепь переменного тока включен диод, то характер движения электронов (тока) изменяется. Ток будет течь лишь в одну сторону, но отдельными импульсами или толчками. Во время каждого периода будет один толчок тока. Эти толчки тока будут чередоваться с промежутками, в течение которых тока не будет.

Если источником переменного тока является промышленная сеть, то частота будет равна 50 Гц. Значит, 50 раз в секунду на аноде диода окажется положительное напряжение и по цепи пройдет толчок или импульс тока. Такой ток называется пульсирующим, в данном случае частота пульсации равна 50 Гц.

Применение диодов не ограничивается выпрямлением переменного тока для питания радиоаппаратуры. Диоды могут выпрямлять токи высокой частоты, т. е. применяться для так называемого детектирования. Ниже показано, как в детекторном приемнике можно заметь полупроводниковый диод вакуумным кенотроном.Фактически в простейших детекторных приемниках ламповые диоды для детектирования не применяются, так как это значительно усложнило бы приемник и привело бы к необходимости применения батареи накала. Но зато в ламповых радиоприемниках для детектирования применяются почти исключительно диодные детекторы. Кроме того, диоды применяются в приемниках для устройства автоматических регулировок и некоторых других целей.

Принцип работы кенотронов для выпрямления промышленного переменного тока и диодов для детектирования высокочастотных сигналов одинаков, но по конструкции эти лампы существенно отличаются один от других.

У высокочастотного диода собственная емкость между катодом и анодом должна быть сведена к возможно меньшей величине. Размеры электродов и расстояние между ними также должны быть минимальными. Токи, выпрямляемыми детекторными диодами, обычно очень малы м измеряются долями или единицами миллиампера.

У кенотронов электроды должны быть порядочных размеров, чтобы обеспечить возможность получения достаточно большого выпрямленного тока и рассеяния на своих анодах той мощности, которая выделяется на них вследствие их бомбардировки электронами.

Учебники

Журнал “Квант”

Общие

Электронная лампа — диод. Вольт-амперная характеристика диода

Односторонняя проводимость используется в электронных приборах с двумя электродами — вакуумных диодах.

Современный вакуумный диод представляет собой баллон из стекла или металлокерамики, из которого откачан воздух до давления 10 -6 – 10 -7 мм рт. ст. Внутри него размещены два электрода (рис. 1). Один из них — катод — имеет вид вертикального металлического цилиндра, покрываемого обычно слоем оксида щелочно-земельных металлов — бария, стронция, кальция. Такой катод называют оксидным. При нагревании поверхность оксидного катода испускает гораздо больше электронов, чем поверхность катода из чистого металла. Внутри катода расположен изолированный проводник, нагреваемый постоянным или переменным током. Нагретый катод испускает электроны, достигающие анода. Анод лампы представляет собой круглый или овальный цилиндр, имеющий общую ось с катодом. Схематическое изображение диода показано на рисунке 2 (изображен диод с катодом прямого накала).

Важнейшей характеристикой диода является его вольт-амперная характеристика — зависимость силы тока от напряжения между электродами Ia = f(Ua) при постоянном напряжении накала Un = const. Для получения вольт-амперной характеристики анода можно воспользоваться электрической цепью, приведенной на рисунке 3, где применяется диод с катодом косвенного накала.

Вольт-амперная характеристика диода с металлическим катодом (рис. 4) является нелинейной в отличие от вольт-амперной характеристики металлического проводника. При напряжении между катодом и анодом, равном нулю, вылетевшие из катода электроны образуют вокруг него электронное облако (пространственный отрицательный заряд), отталкивающее вылетающие из катода электроны. Большинство электронов возвращается на катод, и лишь незначительное их число достигает анода. С увеличением Ua число электронов, достигающих анода, увеличивается и электронное облако постепенно уменьшается. Когда же все термоэлектроны, вылетающие из катода, попадают на анод, сила анодного тока достигает насыщения Iнас (на графике рисунка 4 — горизонтальный участок). В области 1 графика, т.е. при увеличении анодного напряжения от 0 до Uнас ток через диод возрастает, но не пропорционально напряжению, а по закону (

I_a = k cdot U_a^). Это выражение называют формулой Богуславского—Ленгмюра или законом “трех вторых”. В области 2 данного графика, т.е. при UUнас, ток через диод не зависит от напряжения. Такой ток называют током насыщения. Сила тока насыщения определяется формулой Iнас = en, где n — число электронов, вылетающих в единицу времени с поверхности катода; е — заряд электрона. При постоянной температуре катода сила тока в межэлектродном промежутке зависит от анодного напряжения.

Для увеличения тока насыщения нужно повысить температуру катода, увеличив силу тока накала.

Диод пропускает ток только в одном направлении. Это его свойство используется для выпрямления переменного тока. Диод, действующий в качестве выпрямителя, называют кенотроном. На рисунке 5, а показаны схемы однополупериодного, а на рисунке 5, б — двухполупериодного выпрямления переменного тока.

На рисунке 6, а, б показаны соответствующие графики зависимости силы выпрямленного тока, проходящего через сопротивление R, от времени.

В отличие от диода трехэлектродная электронная лампа — триод — содержит, кроме катода и анода, еще и третий электрод — управляющую сетку. Обычно сетка представляет собой спиральную проволочку, окружающую прямолинейный катод, а ось цилиндрического анода совпадает с осью катода и сетки (рис. 7, а); условное изображение триода приведено на рис. 7, б.

Схема включения триода в цепь для усиления анодного тока приведена на рис. 8. Здесь А — анод лампы; К — ее катод; С — сетка; Ба — анодная батарея; Бс — сеточная батарея, создающая напряжение между сеткой и катодом; R — потребитель тока.

Сетка расположена ближе к катоду, чем анод, и на пути катод — сетка на электроны действует суммарное поле, создаваемое между анодом и катодом (φAφK) и между сеткой и катодом (φCφK). Во время работы лампы лишь часть электронов попадает на сетку и движется к катоду по внешней цепи, образуя сеточный ток Ic.

Если потенциал сетки выше потенциала катода, то движение электронов от катода к аноду ускоряется, сила анодного тока растет. Если же потенциал сетки меньше потенциала катода, то движение электронов к аноду замедляется, и сила анодного тока уменьшается. При достаточно большом по абсолютному значению отрицательном потенциале сетки анодный ток полностью прекращается — в этом случае говорят, что “лампа заперта”.

Для управления током внутрь электронной лампы вводят дополнительные сетки. Лампу с двумя сетками называют тетродом, т.е. четырехэлектродной, с тремя — пентодом (пятиэлектродной).

Появление электронных ламп и разнообразных устройств, основанных на их применении, сыграло огромную роль в развитии радио.

Читайте также:  Как резать напольную плитку в домашних условиях

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 295-298.

Почему вакуумный диод обладает односторонней проводимостью?

Цель: познакомить учащихся с полупроводниками. Побуждать учащихся к преодолению трудностей в процессе умственной деятельности, воспитать интерес к физике.

I . Организационный момент

II . Проверка домашнего задания

1. Что такое термоэлектронная эмиссия?

2. При каких условиях происходит вылет электрона из вещества?

3. Что такое работа выхода?

4. Как устроен вакуумный диод?

5. Почему вакуумной диод обладает односторонней проводимостью?

6. Как устроена и где применяется электронно-вакуумная трубка?

III . Изучение нового материала

Многие вещества в кристаллическом состоянии не являются хорошими про­водниками электрического тока, как металлы, но их нельзя отнести и к диэлект­рикам, т. к. они не являются хорошими изоляторами.

Наиболее характерным свойством полупроводников является, то, что их удель­ное сопротивление резко изменяется под влиянием некоторых внешних воздействий.

Включим кремалевый кристалл при комнатной температуре в цепь, содержа­щую источник тока и гальванометр. При этом стрелка отклоняется незначитель­но. Полупроводники обладают большим сопротивлением. Если нагреем, то уви­дим, стрелка отклонилась на большой угол.

Из таких полупроводников, удельное сопротивление которых резко изменя­ется с изменением температуры, изготавливают термисторы. (Используют для измерения температуры.)

Сопротивление может изменяться при изменении освещенности, из таких полупроводников делают фоторезисторы.

Было установлено, что электрический ток в полупроводниках не сопровожда­ется переносом вещества – никаких химических изменений с ними не происходит.

Отсюда следует, что носителями тока являются электроны.

В полупроводниках валентные электроды сильнее связаны с атомами. Поэто­му концентрация электродов проводимости мала. При низких температурах прак­тически все валентные электроны прочно связаны с атомами, но при внешнем воздействии на кристалл электроны приобретают энергию, достаточную для раз­рыва ковалентных связей.

У того атома, от которого электрон был переведен в свободное состояние, по­явилось вакантное место с недостающим электроном. Его называют «дыркой». «Дырка» ведет себя как положительно заряженная частица. Электрон может за­нять вакантное место, тогда «дырка» образуется в соседнем атоме. Поэтому «дыр­ка» блуждает по кристаллу.

При создании электрического поля «дырки» двигаются в том направлении, куда бы двигались положительные заряды, а электроны в противоположном. В полупроводниках электрический ток создается «дырками» и электронами. Та­кое движение в кристалле без примесей называют собственной проводимостью.

Проводимость, обусловленная наличием примесей в полупроводнике, назы­вается примесной проводимостью.

Примеси, поставляющие электроны проводимости без возникновения рав­ного им количества «дырок», называются донорными, в таких кристаллах элект­роны являются основными носителями тока, но не единственными.

Такие полупроводники n -типа.

Примеси, захватывающие электроны и создающие тем самым подвижные «дырки», не увеличивая при этом число электронов, называют акусторными.

Такие полупроводники получили название р-типа. Проводники обладают односторонней проводимостью р – п перехода контак­та двух полупроводниковых кристаллов различного типа проводимости.

Для создания такого перехода нужно создать в кристалле с дырочной прово­димостью область электрической проводимости (или наоборот). Такую область создают путем введения в процессе выращивания кристалла, или атомы примеси вводят в готовый кристалл. Через границу, разъединяющую области кристалла с различными типами проводимости, происходит диффузия электронов и «дырок».

Если р – n – переход соединить с источником тока так, чтобы с его положитель­ным полюсом была соединена область с электронной проводимостью, то элект­роны и дырки удаляются внешним полем от запирающегося слоя в разные сторо­ны, увеличивая его толщину. Сопротивление р – п перехода велико. Ток мал. Если соединить источник тока так, чтобы положительный полюс был соединен с обла­стью дырочной проводимости, запирающий слой уменьшается. Этот способ на­зывается включением в пропускном или в прямом направлении.

Способность пропускать р – n – переход тока в одном направлении использу­ется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами. Они ис­пользуются для преобразования переменного тока в постоянный. Достоинства: малые размеры и масса, длительный срок службы, высокая механическая проч­ность, высокий КПД. Недостаток: не могут работать ниже -70 “С, при высоких температурах резко ухудшаются рабочие параметры.

Далее открываем учебник с. 239, читаем и записываем о полупроводниковом триоде (транзистор).

Нужно ответить на следующие вопросы:

1. Как устроен транзистор?

2. Как включают транзистор в электрическую цепь?

3. На чем основана способность транзистора увеличивать электрические сиг­налы?

Электрический ток в газах. Плазма – ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Цель: выяснить происхождение электрического тока в газах.

I. Повторение изученного

1. Что такое термоэлектронная эмиссия?

2. При каких условиях происходит вылет электрона из вещества?

3. Что такое работа выхода?

4. Как устроен вакуумный диод?

5. Почему вакуумной диод обладает односторонней проводимостью?

6. Как устроена и где применяется электронно-вакуумная трубка?

II. Самостоятельная работа

1. Почему в дымоходе раскаленные частички угля несут на себе электрический заряд, каков знак заряда?

A. Заряжаются за счет электронизации трением, знак положительный.

Б. Заряжаются за счет термоэлектронной эмиссией, заряд положительный.

B. Заряжаются за счет электронизации трением, заряд отрицательный.

2. Каким образом можно управлять электронным пучком?

A. Только электрическим полем.

Б. Только магнитным полем.

B. С помощью электрического и магнитного полей.

3. Работа выхода вольфрама 4,5 эВ, а оксида бария – 1 эВ. Какой материал будет испускать больше электронов в единицу времени при равных температурах?

B. Будут испускать равное количество электронов.

4. Если анодное напряжение увеличить в 2 раза, то как изменится скорость электронов в вакуумной лампе?

Б. Уменьшится в 2 раза.

B. Увеличится в 2 раза.

5. За счет какого механизма нагревается экран при работе кинескопа?

A. Люминесцентного свечения.

Б. Торможения электронов в материале экрана.

B. Экран не нагревается, его температура равна температуре окружающей среды.

У трехэлектродной лампы сетку соедините с анодом, а анод – через гальванометр демонстрационного амперметра – с катодом. К нити накала подведите обычное напряжение. Если замкнуть цепь накала, то гальванометр в анодной цепи покажет слабый ток. Почему? При увеличении накала катода возрастает сила тока в анодной цепи. Почему?

Ответы: 1. Б, 2. В, 3. Б, 4. В, 5, Б.

Ответ: В результате термоэлектронной эмиссии анод заряжается отрицательно, а катод – положительно. Между ними возникает небольшая разность потенциалов, которая приводит к возникновению тока. С увеличением накала катода большее число электронов достигают анода, что приводит к росту анодного тока.

III. Изучение нового материала

Укрепим две металлические пластины параллельно друг другу, соединим одну со стержнем, а вторую – с корпусом электрометра и сообщим им разноименные заряды. Электрометр не заряжается. Через воздух между пластинами при небольших значениях напряжения электрический ток не проходит.

Внесем в пространство между пластинами пламя спиртовки, и заряженный электрометр быстро зарядится.

Под воздействием пламени газ стал проводником электрического тока.

Явление протекания электрического тока через газ, наблюдаемое только при условии какого-либо внешнего воздействия на газ называется несамостоятельным электрическим разрядом.

Повышение температуры газа делает его проводником электрического тока, т. к. нейтральные атомы или молекулы превращаются в ионы. Процесс отрыва электрона от атома называется ионизацией атома. Процесс возникновения свободных электронов и положительных ионов в результате столкновения атомов и молекул газа при высокой температуре называют термической ионизацией.

Частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных ионов практически одинаковы, называется плазмой.

Если между электродами постепенно повышать напряжение, то при некотором значении возникает электрический ток, без воздействия внешних ионизаторов. Это самостоятельный разряд в газе.

Типы самостоятельных разрядов. Техническое применение

Тлеющий разряд применяется в газоосветительных трубках, неоновых лампах, цифровых индикаторах, лампах дневного света.

Дуговой разряд применяется в ртутных лампах высокого давления, при сварке металлов, в электроплавильных печах.

Искровой разряд, длится тысячные доли секунды при высоком напряжении. Применяется при обработке металлов.

Коронный разряд (Е = 3000000 В/м).

Используется в электрофильтрах для очистки газов от твердых частиц. Отрицательное явление: вызывает утечку энергии на высоковольтных линиях.

Два угольных стержня укрепите к деревянным стержням длиной 300 мм. Дугу подключите к автотрансформатору на 30 В. Деревянными ручками сводите углы. Наблюдается горение дуги в воздухе. Опустив в воду, получите горение в ней.

Примечание. Нужно надевать черные очки, или прикрывать глаза красным стеклом.

IV. Закрепление изученного

1. Что такое термическая ионизация?

2. Что называется плазмой?

3. Какие причины могут вызывать несамостоятельный электрический разряд?

4. Чем отличаются самостоятельный электрический разряд от несамостоятельного?

5. Каков механизм развития самостоятельного электрического разряда?

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector