Расписанные билеты, но с КУЧЕЙ опечаток. 6 10 вопросы. Заключение по всем генераторам. 87

• Название: 6 10 вопросы. Заключение по всем генераторам. 87
• Дата: 03.04.2023
• Размер: 4.6 Mb.
• Имя файла: Расписанные билеты, но с КУЧЕЙ опечаток.docx
• Тип: Документы; #1034382
• страница: 15 из 17

15. Электрический ток в вакууме. Вакуумный диод. Вакуумный триод.

Ламповые генераторы, автогенераторы (генераторы с самовозбуждением) применяются в качестве источников питания электротермических установок, предназначенных для плавки, нагрева и закалки различных металлических материалов и деталей. Они выпускаются промышленностью на стандартные частоты 66, 440, 880 кГц, 1,76; 5,28; 13,26; 27,12 МГц и стандартные мощности 4, 10, 25, 40, 60, 100, 160, 250, 400, 600, 1000 кВт и т.д.

Основным конструктивным элементом данных генераторов является электронная генераторная лампа, относящаяся к классу триодов. Обычно такие лампы представляют собой конструкцию, напоминающую систему из трех коаксиальных цилиндров. Центральным элементом конструкции является нить накала.

Даже при давлениях в газе порядка 10^–7–10^–6 Па, что соответствует высокому вакууму, концентрация молекул составляет 10¹⁴ м^–3. Эти молекулы не могут быть ионизированными, поскольку они не сталкиваются друг с другом. Для получения электрического тока в вакууме туда надо внести каким-то образам носители зарядов. Как правило, такими носителями являются электроны. А удобнее всего для изучения электрического тока в вакууме использовать электронные лампы, в частности вакуумный диод.

Электрический ток в вакууме. Вакуумный диод.



В основе работы электронной лампы лежит явление термоэлектронной эмиссии, открытое американским изобретателем Т. Эдисоном (1847–1931) в 1883 г. Суть явления заключается в том, что при нагревании металла электроны приобретают кинетическую энергию большую за работу их выхода из металлов. В вакуумном диоде имеется два электрода: катод и анод. Раскаленная металлическая нить является источником электронов и одновременно катодом. Нить расположена на оси металлического полого цилиндра, который является анодом. Электроды помещены в стеклянный или металлический баллон, давление в котором составляет 10^–6–10^–5 Па Па. Чаще всего катод изготавливается из вольфрама, интенсивная электронная эмиссия из которого начинается при разогреве до 1700 К. Для уменьшения температуры накала катод покрывается слоем какого-либо вещества с небольшой работой выхода электронов. Например, изготовленные из никеля катоды, покрывают оксидами щелочноземельных металлов (ВаО, SrO и т. д.). Эмиссия в таком случае наблюдается уже при температурах 500–600 К. На рисунке представлена электрическая схема для изучения зависимости силы термоэлектронного тока от разности потенциалов между анодом и катодом (анодного напряжения). Ток в цепи отсутствует при холодном катоде, что естественно (холодный катод не эмитирует). Если катод раскален до определенной температуры T₁, то в цепи присутствует небольшой ток при отсутствии анодного напряжения и даже при небольшом его отрицательном значении. Объяснить наличие такого тока можно тем, что начальная кинетическая энергия высвободившегося электрона оказывается достаточной для преодоления задерживающего электрического поля между катодом и анодом.

При положительном значении потенциала на аноде величина термоэлектронного тока прямо пропорциональна анодному напряжению в степени 3/2 (Закон Богуславского–Ленгмюра).

Закон Богуславского–Ленгмюра:





Однако, начиная с некоторого значения анодного напряжения, закон перестает выполняться. Сила тока достигает максимального значения и перестает изменяться. Горизонтальный участок зависимости I =f (U) говорит о том, что все электроны, вылетающие из катода при заданной температуре, достигают анода.

Максимальный термоэлектронный ток, возможный при данной температуре катода, называют током насыщения.

Если увеличить температуру катода до некоторого значения T₂, то увеличится и значение тока насыщения I_S.

Плотность термоэлектронного тока зависит от количества выпущенных катодом электронов согласно выражению (1).



где n₁ – количество электронов, испускаемых единицей площади поверхности катода в единицу времени, e – заряд электрона.

Для определения n₁ рассмотрим кусок какого-либо металла, разогретого до некоторой температуры T и помещенного в замкнутую емкость с той же температурой. С поверхности металла будут исходить электроны, и наоборот, часть электронов, находящихся за пределами металла, будут в процессе хаотичного теплового движения встречать поверхность и возвращаться в металл.

В состоянии равновесия, когда число выпущенных электронов будет равно числу вернувшихся, над поверхностью металла будет существовать электронное облако.

Скорость испускания электронов можно рассчитать из следующих соображений. Поскольку тепловое движение электронов в облаке хаотичное, то из ν электронов, находящихся в единице объема электронного облака, одна третья часть движется перпендикулярно к поверхности металла. А из этой части половина движется к поверхности металла и половина от поверхности. Поэтому, если средняя скорость теплового движения электронов, то получим выражение (2).



Концентрацию электронов в электронном облаке можно выразить через их концентрацию в металле. Средняя энергия свободного электрона больше энергии электрона внутри металла на величину работы выхода. Поэтому для определения зависимости электронов облаке от их концентрации в металле можно использовать распределение Больцмана для молекул идеального газа, находящихся в силовом поле (3).



Подставив (3) и (2) в (1), получим:









Средняя скорость хаотичного движения электронов пропорциональна корню квадратному из температуры. Тогда получим выражение (5).

Постоянная Aзависит от n₀, и поэтому ее значения для разных металлов различны. Формула (6) получена с использованием классической теории электропроводности металлов в 1901 г. английским физиком Ричардсоном (1879–1959) и носит его имя. В 1923 г. на основании квантовой теории электропроводности металлов Дешман получил выражение для тока насыщения (7).





Разница между формулами (6) и (7) на самом деле не такая существенная, потому что зависимость тока насыщения от температуры в основном определяется экспонентой. В формуле Дешмана постоянная A не зависит от рода металла и равна А=1,2 ∙10⁶ А/(м²·К²).

Однако, опытные значения A для многих металлов не совпадают с теоретическим.

Формула (7) позволяет определять работу выхода электронов из металлов.

Экспериментальный график для определения работы выхода электрона из металла и коэффициента A. По углу наклона прямой можно определить работу выхода электрона из металла и коэффициент A.





Разделив левую и правую части выражения на T² и прологарифмировав его, получим (8).





Вакуумный триод.

Схема подключения и семейство сеточных характеристик триода.



Если в двухэлектродной лампе между катодом и анодом разместить третий электрод, то получится лампа, которая называется триодом. Чаще всего третий электрод, называемый управляющей сеткой (или просто сеткой), размещается ближе к катоду. Его конструкция позволяет электронам беспрепятственно пролетать от катода к аноду. Схема подключения лампы в сеть представлена на рисунке.

В отсутствии разности потенциалов между сеткой и катодом лампа работает, как обыкновенный диод. Если разность потенциалов между сеткой и катодом положительная, то электроны ускоряются сеткой и анодный ток возрастает. Если разность потенциалов между сеткой и катодом отрицательная, то анодный ток уменьшается и при определенном значении U_c прекращается. В таком случае говорят, что лампа запирается. В общем случае анодный ток является функцией, как анодного напряжения, так и сеточного.

Зависимость анодного тока от напряжения на управляющей сетке при определенном заданном напряжении на аноде называется сеточной характеристикой триода.

Система нескольких сеточных характеристик, соответствующих разным анодным напряжениям, называется семейством сеточных характеристик триода.

При повышении сеточного напряжения анодный ток возрастает. Чем больше анодное напряжение, тем больше анодный ток при одном и том же напряжении на сетке. На кривой имеется достаточно большой участок, на котором сила анодного тока прямо пропорциональна напряжению на сетке.

Это означает, что если на сетку лампы подавать напряжение, которое изменяется по произвольному закону и при этом его величина не выходит за пределы прямолинейного участка кривой, то и анодной ток изменяется по тому же закону.

Ламповый триод можно использовать в качестве усилителя напряжения. В свое время разного рода электронные лампы очень широко использовались для усиления и генерирования сигналов в радиотехнике.