5. Литература

5.1. Калашников С.Г. Электричество. – М.: Наука, 1985.

5.2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Электричество. – М.: Наука, 1983: С.599-600.

5.3. Жеребцов И.П. Основы электроники. – Л.: Энергоатомиздат, 1989.

5.4. Митрофанов О.В., Симонов Б.М., Колодов Л.А. Физические основы функционирования изделий микроэлектроники. – М.: Высшая школа,1987: С. 110-120.

5.5. Суганов Т., Икома Т., Такэйси Е. Введение в микроэлектронику – М.: Мир, 1983.

5.6. Левинштейн М.Е., Самин Г.С. Барьеры: от кристалла до интегральной схемы. – М.: Наука (Квант, вып. 65), 1987.

5.7. Козлов В.И. Общий физический практикум. Электричество и магнетизм. – М.: Изд-во МГУ, 1987.

№5. Изучение термоэлектронной эмиссии

1. Цель работы

Выяснить физические закономерности явления термоэлектронной эмиссии на примере работы трехэлектродной лампы (триода).

2. Краткое теоретическое введение

2.1. Термоэлектронная эмиссия. Внутри твердого тела электроны могут двигаться свободно, но они связаны с твердым телом электростатическими силами, препятствую­щими выводу электронов из тела через поверхность. Для преодоления этих сил требуется некий минимальный квант энергии, подобно тому, как квант энергии необходим для ионизации атома. Соответствующий потенциал, выраженный в вольтах, называют работой выхода . Для данного материала она приблизительно постоянна; меньше потенциала ионизации свободных атомов того же материала. Причина этого – влияние окружающих атомов, формирующих поверхность тела.

Один из способов сообщить поверхностному электрону необходимую энергию состоит в повышении температуры материалов. Термоэлектронной эмиссией называется испускание электронов нагретыми твердыми или жидкими телами. С помощью квантовой статистики можно вывести следующее выражение для плотности тока электронов, эмитируемых из металла с работой выхода , находящегося при температуре :

. (1)

В этой формуле – заряд электрона; – постоянная Больцмана; –константа, теоретически равная 4πemk²/h³ =120 А/см²∙к². Практически значение а для большинства металлов составляет примерно половину указанного, что связано с влиянием примесей и дефектов поверхности, но в других отношениях написанная выше формула находится в хорошем согласии с экспериментальными значениями j.

При фиксированной температуре рассматриваемая эмиссия возрастает при уменьшении . Поэтому разработаны катоды, специально рассчитанные на использование эффекта термоэлектронной эмиссии, материал которых содержит металлы и окислы с низкой работой выхода. В большинстве материалов при комнатной температуре термоэлектронная эмиссия пренебреженно мала. Она становится заметной только при повышении температуры до значений порядка 1000К, после чего эмиссия быстро увеличивается с ростом температуры. Электроны, покидающие поверхность металла, образуют вокруг него электронное "облако". Чем выше температура тела, тем гуще это "облако".

2.2. Вакуумные лампы. На явлении термоэлектронной эмиссии основана работа различных вакуумных ламп. Примером таких ламп является широкий класс радиоламп, сыгравших большую роль в развитии радиотехники. Вакуумная лампа состоит из катода, анода и сетки (за исключением лампового диода). По общему числу электродов различают лампы двухэлектродные, трехэлектродные, четырехэлектродные, пятиэлектродные и т.д. Соответственно, лампы называют диодами, триодами (с одной сеткой), тетродами (с двумя сетками), пентодами (с тремя сетками).

В каждой лампе обязательно есть катод – отрицательный электрод, являющийся источником электронов в лампе и анод – положительный электрод. Катодом может быть вольфрамовый волосок, подобный нити накала электролампочки (катод прямого накала), или металлический цилиндрик, подогреваемый нитью накала, а анодом – металлическая пластинка, а чаще коробочка, имеющая форму цилиндра или параллелепипеда. Сетки представляют собой спирали из тонкой проволоки. Они окружают катод и, не соприкасаясь, расположены на разных расстояниях от него. Число сеток в лампе может быть от одной до пяти.

Рассмотрим принцип работы вакуумных ламп на примере триода. Его устройство и схематическое изображение представлено на рис. 1.

Рис. 1. Устройство и схематическое изображение трехэлектродной лампы: А - анод, К - катод, С - сетка, Н - накал.

На схемах вакуумный блок лампы обозначают в виде окружности, катод – дужкой, анод – короткой жирной чертой, сетку – жирной пунктирной линией, расположенной между катодом и анодом. Триод отличается от лампового диода только наличием в ней сетки.

При включении триода напряжение подается на нить накала Н, на анод А (точнее между анодом и катодом К), на сетку С (между сеткой и катодом). Схема включения содержит, таким образом, три самостоятельные цепи: накала, анода и сетки. Разность потенциалов между сеткой и катодом называется напряжением сетки и обозначается .

Из-за эффекта термоэлектронной эмиссии раскаленный катод испускает электроны, образующие вблизи катода отрицательный объемный (пространственный) заряд. Чтобы электроны попадали на анод, в электронной лампе должно быть ускоряющее электрическое поле. Для этого на анод подается положительный потенциал относительно катода. Электроны, попадающие на анод, создают в его цепи ток, называемый анодным током .

Что влияет на величину анодного тока? Если катод имеет постоянный накал и излучает непрерывно одно и то же количество электронов, то величина анодного тока зависит только от анодного напряжения. При небольшом анодном напряжении анода достигнут лишь те электроны, которые в момент вылета из катода обладают наиболее высокими скоростями. Другие, менее "быстрые" электроны, останутся возле катода. Чем выше анодное напряжение, тем больше электронов притянет к себе анод, тем значительнее будет анодный ток.

Однако не следует думать, что повышением анодного напряжения можно бесконечно увеличивать анодный ток. Если продолжать увеличивать напряжение на аноде при том же накале, то ток будет расти, но лишь до определенного предела. Это связано с тем, что число электронов, достигающих анода за единицу времени, становится равным числу электронов, вылетающих за то же время с катода. Установившийся при этом в цепи максимальный термоэлектронный ток, возможный при данной температуре накала, называется током насыщения. Для увеличения тока в лампе надо увеличить температуру накала. Значит, ток насыщения может быть достигнут и для неизменного напряжения на аноде. Таким образом, анодный ток зависит от двух факторов: от температуры нити накала (катода) и напряжения на аноде. Соответствующие зависимости получили название температурной и анодной характеристик лампы (при постоянном напряжении на сетке). Семейство анодных характеристик приведено на рис. 2.

Зависимость анодного тока от напряжения сетки при неизменном напряжении анода называется анодно-сеточной характеристикой триода. Семейство анодно-сеточных характеристик триода приведено на рис. 3.

Рис. 2. Семейство анодных характеристик триода.	Рис. 3. Семейство анодно - сеточных характеристик триода.

Изменение потенциала на сетке оказывает большее влияние на анодный ток, чем такое же изменение потенциала на аноде, так как сетка находится гораздо ближе к катоду, чем к аноду. Если к сетке приложить положительное напряжение относительно катода, то поток электронов, испускаемых катодом, будет ускоряться. В случае если потенциал сетки отрицательный, поток электронов будет тормозиться. Сетка позволяет управлять режимом работы лампы и поэтому называется управляющей сеткой.

Изменение напряжения на сетке оказывает в несколько раз более сильное влияние на величину анодного тока, чем такое же изменение напряжения на аноде лампы. Это свойство триода и используется для усиления электрических колебаний. Следует отметить также, что, несмотря на существование тока насыщения, на практике для каждой лампы существует некоторый предельный анодный ток, превышение которого ведет к нарушению свойства катода испускать электроны. Таким образом, анодно-сеточная характеристика дает представление о том, как изменяется анодный ток лампы при изменениях напряжения на сетке.

2.3. Параметры триода. Параметрами триода называются величины, связывающие изменение анодного тока и напряжения анода и сетки, а также характеризующие мощность, выделяемую на аноде. Главными параметрами триода являются внутреннее сопротивление, крутизна характеристики и коэффициент усиления. Величина

(1)

называется дифференциальным внутренним сопротивлением лампы.

Внутреннее сопротивление лампы показывает, на сколько вольт надо изменить напряжение на аноде лампы, чтобы ее анодный ток изменился на 1 mA при постоянном напряжении на сетке.

Крутизна сеточной характеристики

(2)

показывает на сколько миллиампер изменяется анодный ток при изменении потенциала сетки на 1В, если напряжение анода постоянно.

Коэффициент усиления представляет собой отношение изменения анодного напряжения к изменению сеточного напряжения, если анодный ток постоянен, т.е.

. (3)

Рассмотрим, как вычисляются параметры триода с помощью анодно-сеточных характеристик. Пусть в результате измерений получены две анодно-сеточных характеристики, графики которых представлены на рис. 4.

В области прямолинейных участков характеристик строим треугольник АВС, где АС проводим параллельно оси абсцисс, а ВС - параллельно оси ординат. Очевидно, AC = ∆U_c, ВС = ∆I_а. Тогда

,

,

.

2.4. Применение вакуумных ламп.

Лампа как выпрямитель. В качестве выпрямителя переменного тока может выступать вакуумный диод. Зависимость тока анодной цепи от анодного напряжения носит название вольт-амперной характеристики диода. Характер зависимости будет аналогичным, как у триода, если напряжение на сетке равно нулю (см. рис. 2, U_c’=0). Диод обладает свойством односторонней проводимости тока (почему?); он пропускает через себя ток только в одном направлении – от анода к катоду; в обратном направлении ток идти не может.

Что происходит в анодной цепи диода, когда в ней действует переменное напряжение. В этом случае на анод лампы подается синусоидальное напряжение, например от сети переменного тока (рис.5, а). Видно, что напряжение на аноде периодически изменяется по величине и знаку. А так как диод обладает односторонней проводимостью, то ток через него идет только при положительном напряжении на его аноде. Говоря иными словами, диод пропускает положительные полуволны (рис.5, б) и не пропускает отрицательных полуволн переменного тока. В результате в анодной цепи течет ток одного направления, но пульсирующий с частотой переменного напряжения на аноде. Происходит выпрямление переменного тока. Диоды применяют для детектирования высокочастотных колебаний (выпрямления этих колебаний), но чаще их используют в выпрямителях для питания радиоаппаратуры. Диоды, предназначенные для работы в выпрямителях, называют кенотронами.

Триод - усилитель. Рассмотрим работу триода в качестве усилительного прибора (рис. 6.). В этой схеме к участку сетка-катод лампы, т.е. в цепь сетки, подается переменное напряжение, которое требуется усилить. Источником этого напряжения может быть слабый радиосигнал, микрофон или звукосниматель – прибор, служащий для воспроизведения (нагрузка-резистор ). Нагрузкой может быть также громкоговоритель или телефон.

Пока в цепи сетки нет переменного напряжения (до момента времени ), в анодной цепи течет не изменяющийся по величине ток , соответствующий нулевому напряжению на сетке. Когда в цепи сетки начинает действовать переменное напряжение, сетка периодически заряжается то положительно, то отрицательно, а анодный ток начинает колебаться (рис. 6): при положительном напряжении на сетке он возрастает, при отрицательном – уменьшается. Чем больше изменится напряжение на сетке, тем значительнее амплитуда колебаний анодного тока. При этом на концах анодной нагрузки появляется переменная составляющая напряжения, которая может быть подана в цепь сетки другой такой же лампы и еще раз усилена ею. Если в цепь сетки подавать напряжение низкой частоты (например, от детекторного приемника), а в анодную цепь включить телефон, то усиленное лампой напряжение заставит телефон звучать во много раз громче, чем при подключении его непосредственно к источнику низкой частоты.

Возникает вопрос: какое усиление может дать лампа? Это зависит от ее конструкции, в частности, от густоты и расположения сетки относительно катода. Чем сетка гуще и ближе расположена к катоду, тем сильнее сказывается влияние ее потенциала на электронный поток, тем, следовательно, лампа дает большее усиление. Различные лампы способны осуществлять как двух-трехкратное усиление сигнала, так и усиление в несколько десятков и даже сотен раз.

Рис. 4. К определению параметров триода с помощью анодно-сеточных характеристик.

Рис. 5. Зависимости анодного напряжения и тока от времени.

Рис. 6. Схема работы триода-усилителя