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.

 

A

К

 

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	R a
R нак	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.

 

I a	Т 3	> T 2 > T 1
I нас3
	Т 2
I нас2
	Т 14
I нас
			U a
	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 a3/2,

(6.2.2)

 

где K – коэффициент, характеризующий форму и размеры электродов

 

и не зависящий от температуры катода.