в) работу выхода, г) сообщение электронам начальной энергии Е_е.

2. Энергия, сообщаемая одному равна:

, где – средняя начальная кинетическая энергия .

3. Энергия, сообщаемая всем в единицу времени:

, где Р – мощность, расходуемая на эмиссию ; I_e – ток эмиссии ( ).

Вт

1. Мощность накала Р_н=I_нU_н=10 Вт

2. Часть мощности, расходуемая на эмиссию :

Пример 2.

Дано: Катоды - W и WTh (размеры одинаковы)

, А_вых(W)=4,52 эВ, А_вых(WTh)=2,63 эВ, эВ/К.

Найти: Т.

Решение:

1. Ток эмиссии для катодов:

1. Найдём отношение:

exp(21900/T)=

21900/T=ln( )

Следовательно Т=1900 К.

Физические процессы в электровакуумном диоде

Схема диода

Электровакуумный диод – электронная лампа, содержащая два электрода: катод и анод. Термоэлектронный катод служит для эмиссии электронов. Анод является коллектором, т.е. электродом, который собирает электроны. Оба электрода размещены в стеклянном, металлическом или металлокерамическом баллоне.

Как правило, катод имеет нулевой потенциал U_K=0, а на анод подается напряжение U_A. Если катод нагревается (U_H  0), то возникает термоэлектронная эмиссия. При U_A >0 электроны перемещаются к аноду и возникает анодный ток I_A. При U_A < 0 электроны, эмитирующие с катода, попадают в тормозящее электрическое поле и возвращаются на катод, т.е. I_A=0. Таким образом, внутри диода ток I_A может протекать только в одном направлении – от анода к катоду (при U_A>0).

Распределение потенциала в межэлектродном пространстве

Представим катод и анод в виде неограниченных плоскостей.

1. Начальные условия: U_K = 0, U_A = const, V_H – принимает различные значения.

Распределение потенциала при UA=const

При нулевом напряжении накала UH=0 – эмиссии электронов нет и диод можно рассматривать как плоский конденсатор (прямая 1).

При повышении U_H эмиттирующие электроны создают в межэлектродном пространстве объемный отрицательный заряд, который изменяет распределение U (кривая 2). Однако вектор направлен в любой точке кривой 2 от анода к катоду, поэтому все эмиттирующие электроны перемещаются к аноду, т.е. I_A=I_e. Этот режим называется режимом насыщения.

При дальнейшем повышении U_H эмиттирующие электроны увеличивают объемный отрицательный заряд. Электронное “облако” образует область отрицательного потенциала U_min, находящегося на расстоянии X_min (X_min0,01…0,1 мм). Таким образом, вблизи катода (0 < X < X_min) существует тормозящее электронное поле и вектор направлен от катода к аноду (кривая 2). Для преодоления этого потенциального барьера U_min начальная скорость электрона должна превышать следующее значение:

, где e, m – заряд и масса электронов.

Электроны с меньшей скоростью не могут преодолеть этот барьер и возвращаются на катод, т.е. I_A < I_e. Таким образом, диод работает в режиме ограничения тока I_A объемным зарядом, или в режиме объемного заряда.

1. Начальные условия: U_K = 0, U_H = const, U_A – принимает различные значения.

Распределение U при UH = const

UA1 = 0 – эмиттирующие электроны образуют в межэлектродном пространстве объемный отрицательный заряд (кривая 1). При повышении UA2 вблизи катода сохраняется отрицательный потенциальный барьер (Umin), который препятствует движению электронов к аноду (IA<Ie). Диод работает в режиме объемного заряда (кривая 2).

При U_A3>U_A2 – наступает режим насыщения (кривая 3), когда в каждой точке вектор направлен от анода к катоду, т.е. все эмитирующие электроны достигают анода. При этом I_A=I_e.

Режим объемного заряда (Р.О.З.) является основным режимом работы в диоде и других ЭВП. Все ЭВП работают, как правило, при U_H=const и I_A регулируется за счет изменения U_A. Этим достигается безинерционность ЭВП.

Зависимость анодного тока I_A от анодного напряжения U_A

В режиме объемного заряда (Р.О.З.) анодный ток I_A для диода, образованного двумя плоскими электродами, определяется по “закону степени 3/2”: , где G – постоянная величина G = 2,3310^-6 Па/X_A²;

Па – эффективная площадь поверхности анода (та часть поверхности анода, куда попадают электроны); X_A – расстояние от катода до анода (I_A – [A], U_A –[B], Па – [см²], X_A –[см]).

Анодные характеристики идеального диода

В режиме насыщения IA не зависит от UA и определяется только напряжением накала UH.

Статические характеристики реальных диодов

Семейство эмиссионных характеристик диода IA=(UH)

На участке 1-2 (в режиме насыщения) IA растет по закону, близкому к закону Ричардсона , т.е. отображает эмиссионную характеристику (здесь Т катода пропорциональна UH).

При дальнейшем возрастании U_H (U_H>U_H2), рост I_A замедляется из-за воздействия объемного заряда электронов. (I_A<I_e). Точкам 1, 2, 3 соответствуют кривые 1, 2, 3 зависимости U(X) при U_A=const, приведенные в предыдущем разделе.

Семейство анодных характеристик диода

Режиму объемного заряда (Р.О.З.) соответствуют крутые участки зависимости IA(UA), режиму насыщения – пологие (IA=Ie). Точкам 1, 2, 3 соответствуют кривые 1, 2, 3 зависимости потенциала U(X) в межэлектродном пространстве, приведенные в предыдущем разделе при постоянных напряжениях накала UH=const.

Пример 1.

Дано:

Диод цилиндрической формы: d_A=2 см, d_K=0,4 см, l_A=3,5 см, U_A=500 B.

Найти: I_A

Решение:

1. В режиме объемного заряда согласно закону “степени 3/2” для цилиндрического диода: , где Па=2rAlA.

Значит ,

где ² – поправочный коэффициент ²=(r_A/r_K).

2. Для r_A/r_K=5 ²=0,77.

1. .

Физические процессы в трехэлектродной лампе (триоде)

Триод – электровакуумный прибор, имеющий три электрода: катод, анод и сетку.

Схема включения триода с общим катодом

Сетка – электрод, управляющий потенциалом и потоком электронов в межэлектродном пространстве триода. Сетка обычно выполняется в виде спирали из тонкой проволоки и располагается между катодом и анодом, ближе к поверхности катода.

Распределение потенциала в триоде

Сечение плоского триода

Рассмотрим триод плоской конструкции с сеткой виде параллельных прутков (1- плоскость между витками сетки, 2 – плоскость витков сетки).

Рассмотрим различные начальные условия.

Распределение потенциала в плоском триоде		1. UA = const  0, UK = 0, UC  0 В пространстве “катод-сетка” создается тормозящее электрическое поле. Эмиттированные электроны не могут преодолеть потенциальный барьер и возвращаются к катоду. (IA = 0, триод - “заперт”). Напряжение запирания - наименьшее (по модулю) отрицательное напряжение на сетке UC0, при котором IА = 0. 2. UC  0, IА  0, IK = IА  Ie , IC = 0 Потенциальный барьер и область объемного отрицательного заряда уменьшаются, часть эмиттированных электронов преодолевает этот барьер и перемещается к аноду.
	3. UC > 0 При подаче положительного напряжения на сетку все эмиттированные электроны попадают на анод или на сетку, т.к. напряженность электрического поля в любой точке межэлектродного пространства направлена от анода к катоду. Таким образом, Ie = IK = IC + IА. Поскольку площадь витков сетки намного меньше площади анода, то IC  IА.

Токораспределение в триоде

Как уже говорилось, при U_C > 0 полный поток электронов, преодолевших потенциальный барьер разделяется на два: анодный ток I_А и сеточный ток I_C.

Токораспределение – разделение общего катодного тока I_K на токи, текущие в цепях отдельных электродов лампы (I_А и I_C).

Коэффициент токораспределения: k_TP = _.

Режим возврата электронов к сетке

Схема возврата электронов к сетке

Пусть на сетку подано постоянное напряжение UC > 0, а напряжение на аноде изменяется от UA = 0 до UA > UC. 1) UA = 0. Часть электронов попадает непосредственно на сетку; другая часть электронов, пролетев плоскость сетки и попав в тормозящее поле участка “сетка – анод”, возвращается обратно к сетке по криволинейным траекториям. При этом IA = 0, IK = IC.

Процесс возвращения электронов из пространства “сетка – анод” обратно к сетке называется режимом возврата электронов к сетке.