Вакуумный диод. Вольт-амперная характеристика ваку-умного диода

Явление термоэлектронной эмиссии лежит в основе устройства различных электронных приборов. Одним из таких приборов является

вакуумный диод (двухэлектродная электронная лампа),которыйпредставляет собой стеклянный (или металлический) баллон, отка-чанный до глубокого вакуума, внутри которого размещены два элек-

трода – анод А и катод К.

Анод имеет форму кругового цилиндра, а катод – проволочной спирали, натянутой вдоль оси этого цилиндра. Катод изготавливается из тугоплавкого металла (вольфрама, молибдена и др.) или покрыва-ется слоем оксидов щелочноземельных металлов (бария, стронция и др.) толщиной в сотые доли миллиметра. Такой катод называется ок-сидным. Поверхность оксидного катода при нагревании выделяет го-раздо больше электронов, чем поверхность катода из чистого металла, т. к. слой оксида уменьшает работу выхода электронов из вещества катода. На рис. 6.2.1 показано схематическое изображение диода.

Нить накала

Рис. 6.2.1

Диод обладает односторонней проводимостью. Это свойство дио-да можно обнаружить с помощью электрической цепи, изображенной на рис. 6.2.2. Катод нагревается током, создаваемым батареей накала Бат. 1, и испускает электроны, движущиеся к аноду под действием электрического поля напряженности Е, направленной к катоду. Тем-пературу катода можно изменять, регулируя силу тока накала с помо-щью реостата R_нак. На электроды подается напряжение от батареи Бат. 2. Анодное напряжение U_а измеряется с помощью вольтметра V, а

сила анодного тока I_а микроамперметром А.

		A
	А
		V
	К	Ra

Rнак	Бат. 1

…

Бат. 2

Рис. 6.2.2

С увеличением напряжения между анодом и катодом сила тер-моэлектронного тока также возрастает. Кривая зависимости силы анодного тока I_а от анодного напряжения U_а при постоянном токе накала катода называется вольт-амперной характеристикой диода.

На рис. 6.2.3 изображены три вольт-амперные характеристики диода, соответствующие разным температурам катода, начальные участки (0123) которых совпадают.

Ia	Т3	> T2 > T1
^Iнас₃
	Т2
^Iнас₂

	Т1₄
^Iнас

			Ua
	Рис. 6.2.3

Нелинейный вид зависимости I_a = I _a(U_a) объясняется тем, что вокруг катода образуется электронное облако, препятствующее движению к аноду электронов, вновь вылетающих из катода. С уве-личением напряжения между электродами плотность электронного облака уменьшается, анода достигает большее количество электро-нов, и сила тока растет. При достаточно большом значении U _a все электроны, покинувшие катод, попадают на анод, и сила тока I_a дос-тигает максимально возможного значения при данной температуре катода. Это значение тока называется током насыщения I _нас . Сила тока насыщения определяется формулой I_нас = Ne, где N – число электронов, вылетающих в единицу времени с поверхности катода; e –заряд электрона.

При малых значениях U_a кривые зависимости I_a = I_a( U_a) совпа-дают. При U_a = 0 сила анодного тока не равна нулю, т. к. некоторое число электронов из электронного облака попадает на анод, и в анодной цепи существует очень малый ток. Ток достигает насыще-ния только в том случае, если катод не покрыт оксидным слоем. В диодах с оксидным катодом данное явление не происходит, т. к. это требует больших напряжений, при которых катод разрушается. При отрицательном потенциале анода лампы сила анодного тока I_a = 0. Вентильное действие диода используют для устройства выпрями-телей переменного тока.

Опытным путем установлено, что сила тока насыщения резко возрастает с повышением температуры катода. Плотность силы тока насыщения j_нас определяется уравнением, которое называется форму-лой Ричардсона – Дэшмана:

²	(6.2.1)
j_нас= B T exp(–A/kT),

где В – эмиссионная постоянная, зависящая от материала катода и со-стояния его поверхности; Т – абсолютная температура катода; А – ра-бота выхода электрона из металла; k − постоянная Больцмана.

Первоначально уравнение для плотности силы тока насыщения j_насбыло получено английским физиком Оуэном Уильянсом Ричард-соном на основе классической электронной теории металлов и затем уточнено им при термодинамическом рассмотрении термоэлектрон-ной эмиссии. Окончательно уточнил вид уравнения американский ученый С. Дэшман на основе квантовой теории. Полученную им фор-

мулу (6.2.1) обычно и называют формулой Ричардсона – Дэшмана.

В интервале малых значений напряжения между анодом и като-дом (участок 0123) зависимость I_a = I_a(U_a) выражается законом Богу-

славского – Ленгмюра, или законом «трех вторых» ( установлен рус-ским физиком Сергеем Анатольевичем Богуславским и американским физиком Ирвингом Ленгмюром):

I KU_a^3/2,

(6.2.2)

где K – коэффициент, характеризующий форму и размеры электродов

и не зависящий от температуры катода.

⇐ Назад

Далее ⇒