Электрический ток в вакуумном диоде

Явление испускания электронов нагретыми металлами называется термо­элек­тронной эмиссией. С повышением температуры возрастает кинетическая энергия электронов и они получают возможность покинуть поверхность металла. Термоэлек­тронная эмиссия лежит в основе работы электронных ламп. Простейшая электронная лампа - вакуумный диод, - представляет собой стеклян­ный или металлический баллон, откуда откачан воздух (рис.5).

Внутрь баллона вво­дятся два электрода: нагреваемый нитью накала ме­таллический катод К (катод) и холодный метал­лический анод А (анод). Высокий вакуум в диоде создается для того, чтобы электроны при своем движении не сталкивались с молекулами воздуха. На рисунке приведена схема включения вакуумного диода. Батарея Б_Н служит для нагревания нити накала и далее катода. Напряжение между анодом и катодом создается с помощью батареи Б_а.

Рис. 5.

Вакуумный диод обладает односторонней проводимостью, то есть электроны могут двигаться только от катода к аноду. Если потенциал анода ниже потенциала катода, то на электроны со стороны электрического поля действует сила, направленная против их движения к аноду.

При работе лампы около катода образуется «электронное облако». При увеличении положительного анодного напряжения все большая часть электронов будет лететь прямо к аноду, не задерживаясь в «электронном облаке». При этом количество электронов, притяги­ваемых анодом в каждую секунду, будет увеличиваться.

Рис. 6.

В замкнутой цепи возникает электрический ток, называемый анодным током. Зависимость анодного тока I_а от анод­ного напряжения U_а называется вольт­ампер­ной характеристикой диода. На начальном этапе зависимость анодного тока от анодного на­пряжения описывается формулой Богуславского-Ленгмюра или законом «трех вторых» , где В - константа, зависящая от размеров, формы и взаимного расположения катода и анода. График зависимости представлен на рис.6.

Дальнейшее увели­чение U_а не мо­жет привести к росту анод­ного тока, так как число электронов, вылетающих каждую секунду из катода, зависит от температуры катода, но не зависит от величины анодного напряжения. Максималь­ное значение анодного тока называется током насыще­ния I_нас.

На рис.6 пред­ставлены три вольт-амперные ха­рактеристи­ки, снятые при различных температурах като­да Т₁Т₂Т₃. На всех трех кривых видно, что при определенных значе­ниях анодного напряжения U_а рост анодного тока прекращается, кривые стано­вятся практиче­ски параллельными оси абс­цисс.

Плот­ность тока насыщения j_нас определяется плотностью тока термоэлектронной эмиссии (они равны по величине), которая рассчитывается по формуле Ричардсона-Дешмена:

,

где I_нас - ток насыщения, k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, А_ВЫХ - работа выхода электрона из металла катода, С=1.210⁶ А/м²К² - эмиссионная постоянная Ричардсона.

Как видно из рис.6, при увеличении темпера­туры катода насыщение анодного тока наступает при больших значениях U_а и сама величи­на тока насыщения I_нас также возрастает.

Явление термоэлектронной эмиссии используется в различных электронных лампах, рентгеновских трубках, электронном микроскопе и т.д.