Электровакуумные приборы

Ещё в середине XVIII века было известно, что вблизи нагретых твёрдых тел воздух теряет своё свойство плохого проводника электричества. Однако причина этого явления оставалась неясной. В ряде опытов, проведённых в период 1882-1889, немецкие физики Ю.Эльстер и Г.Гейтель установили, что при пониженном давлении окружающего воздуха раскалённая металлическая поверхность приобретает положительный заряд.

О похожем явлении упоминалось ещё в патентной заявке 1883 года всемирно известного изобретателя лампы накаливания Т. Эдисона. Он ввёл отдельный электрод в одну из своих первых ламп накаливания и обнаружил, что между её раскалённой нитью и электродом происходит перенос электрического заряда. Вот его описание: «Между ветвями нити лампочки накаливания, на одинаковом расстоянии от обеих, помещена платиновая пластинка, представляющая собой изолированный электрод. ... Если включить между этим электродом и одним из концов нити гальванометр, то при горении лампы наблюдается ток, который меняет свое направление, смотря по тому, присоединен ли к прибору положительный или отрицательный конец угольной нити. Кроме того, его интенсивность возрастает вместе с силой тока, проходящего через нить».
Как показали опыты, наибольшие перспективы для практического применения обнаруженного явления открываются именно в вакууме. Это такое состояние газа, при котором концентрация частиц в нём (атомов и/или молекул) столь мала, что можно пренебречь их взаимодействием. Откачивая газ из сосуда, можно достичь такой малой его плотности, при которой частицы газа успевают пролететь от одной стенки сосуда к другой, ни разу не испытав соударений друг с другом, поэтому ионизации частиц газа не происходит. И, если в вакуум поместить электроды, между которыми есть напряжение, то электрического тока не возникнет из-за отсутствия подвижных носителей заряда. Поэтому проводимость межэлектродного промежутка в вакууме можно обеспечить только с помощью создания в сосуде «источника» подвижных заряженных частиц.
Таким источником подвижных заряженных частиц может стать тело, нагретое до высокой температуры. При этом возникает так называемое явление термоэлектронной эмиссии (лат. emissio – выпуск, испускание). Эмиссию можно рассматривать как «испарение» электронов с поверхности вещества. Чаще всего под ним понимается металл, поскольку концентрация свободных электронов в металлах достаточно высока, и даже при средних температурах некоторые электроны обладают энергией, достаточной, чтобы вылететь за пределы металла. С повышением температуры число вылетающих электронов растёт, и явление термоэлектронной эмиссии становится более заметным. Электроны, «испарившиеся» из металла и оказавшиеся в вакууме, образуют вокруг него электронное облако, а сам электрод заряжается положительно.
Однако под влиянием усиливающегося электрического поля между положительно заряжающимся электродом и образующимся отрицательным облаком, электроны всё в большей мере возвращаются из облака обратно на электрод. Чтобы сделать «испарение» электронов постоянным, электрод следует подогревать, и подать на него отрицательный заряд, превышающий «самообразующийся» положительный. Такой электрод называют подогреваемым катодом. В простейшем случае им может быть нить или спираль из тугоплавкого металла (например, вольфрама), накаляемая электрическим током. Однако при высокой температуре катод, поглощая кислoрoд из вoздуха, окисляется и быстро приходит в негодность. Поэтому электроды и помещают в вакуум. При этом на поверхность катода наносят слой окислов бария, стронция и кальция, обладающий способностью излучать электроны при не очень высокой температуре нагрева. Второй электрод не подогревается и называется анодом.

Описанное нами устройство (см. рисунок и обозначение) носит название вакуумного диода. Он представляет собой сосуд, в котором создан вакуум, в котором находятся два электрода – подогреваемый катод и анод. Катод может быть прямого накала, тогда он представляет собой нить, разогреваемую током от источника невысокого напряжения. Катод также может быть косвенного накала, как на рисунке. Такой катод представляет собой цилиндр, внутри которого размещается спираль (нить накала). Катод расположен внутри цилиндрического анода, показанного «в разрезе».
Даже при нулевом напряжении анода относительно катода, диод может попускать через себя «прямой» ток из катода в анод, поскольку вылетевшие из горячего катода электроны долетают до анода и оседают на нём. При этом «обратный» ток невозможен по причине отсутствия обратного потока электронов. Если же на на анод подано «запирающее» отрицательное напряжение порядка 1 В и более (или, что то же самое, на катод подано положительное напряжение порядка 1 В и более), то в диоде возникает электрическое поле, препятствующее движению электронов. В этом случае диод перестаёт пропускать через себя ток. Поэтому диоды применяются для превращения переменного тока в пульсирующий постоянный.

Например, для электросварки, электротранспорта, компьютеров, теле-, видео-, фототехники, средств связи и т.д. и т.п. требуется постоянный ток. Его получают путём «выпрямления» переменного тока. Это может производиться разными способами, в том числе и с помощью вакуумного диода, основываясь на его способности проводить ток только в одном направлении. Если мы включим диод в сеть переменного тока, то он будет проходить через цепь только в те моменты времени, когда на горячем электроде будет «–», а на холодном «+». При обратной полярности ток через диод проходить не будет, потому что испускаемые электроны будут отталкиваться обратно к «породившему» их электроду.
В настоящее время вакуумные диоды в технике почти полностью вытеснены полупроводниковыми диодами и многими другими приборами, позволяющими «выпрямлять» переменный ток.

(C) 2013. Нутерман Борис Михайлович (Томская область, г. Томск)