В вакуумном диоде ток идёт только в одном направлении – от анода к катоду. При этом электроны, образующие ток, движутся от катода к аноду. Диод обладает односторонней электрической проводимостью.
При неизменном токе накала, то есть при постоянной температуре катода, сила анодного тока Ia зависит от анодного напряжения Ua . При постепенном повышении анодного напряжения сила анодного тока растёт до определённого значения, после чего она остаётся неизменной, несмотря на дальнейшее увеличение анодного напряжения. Основной характеристикой диода является его анодная характеристика или вольт-амперная характеристика диода, которая показывает зависимость анодного тока диода от анодного напряжения при неизменном напряжении накала.
Анодная характеристика вакуумного диода показана на рис. 5. Она имеет три участка.
Первый, нелинейный участок. На начальном участке анодной характеристики ток медленно возрастает при увеличении напряжения на аноде, что объясняется противодействием электрическому полю анода объёмного отрицательного заряда электронного облака.
Рис. 5 – Анодная характеристика вакуумного диода. Ia – сила анодного тока, Ua – анодное напряжение, то есть напряжение между анодом и катодом, Uн – напряжение накала катода.
При анодном напряжении, равном нулю, вылетевшие из катода электроны образуют вокруг него отрицательный пространственный заряд, называемый электронным облаком, который отталкивает вылетающие из нагретого катода электроны. Большая их часть возвращается на катод и лишь незначительному числу электронов удается долететь до анода. Поэтому даже при анодном напряжении Uа = 0 сила анодного тока I немногим больше нуля. Для того чтобы уменьшить ток до нуля Iа = 0, нужно приложить к аноду небольшое отрицательное напряжение, называемое запирающим. Поэтому вольт-амперная характеристика диода начинается чуть левее начала координат, что обычно не показывают на рисунках (графиках).
С увеличением положительного анодного напряжения увеличивается число электронов, переносимых на анод, и электронное облако около катода постепенно уменьшается. Сила анодного тока растёт с увеличением напряжения экспоненциально, что обусловлено разбросом начальных скоростей вылетевших их катода электронов.
2. Второй участок анодной характеристики описывается законом Ленгмюра – Богуславского или «законом трёх вторых», согласно которому зависимость силы анодного тока от напряжения определяется выражением
Здесь k - постоянная, зависящая от материала, температуры, площади катода и от расстояния между катодом и анодом.
Третий участок - участок насыщения. При дальнейшем увеличении напряжения на аноде рост тока замедляется, а затем полностью прекращается, так как все электроны, вылетающие из катода, достигают анода. Дальнейшее увеличение анодного тока при данной величине тока накала невозможно, поскольку для этого нужны дополнительные электроны, которых нет. Установившейся в этом режиме анодный ток называется током насыщения. Ток насыщения Iн – это наибольший возможный анодный ток при данной температуре катода, определяемой током накала.
Этот участок характеристики описывается законом Ричардсона – Дешмана, определяемый формулой (1): Jн = C . T2. exp (- A/ kT ).Очевидно, что для увеличения тока насыщения необходимо увеличить число электронов, вылетающих за 1 с из катода, то есть нужно повысить температуру катода, увеличив ток накала.