Двухэлектродные лампы, физические процессы.

Наиболее простой электронной лампой является двухэлектродная лампа, которую чаще всего называют диодом. Такая лампа имеет всего два электрода: катод и анод. Они помещены в стеклянный или металлический баллон, в котором создан вакуум.

Условные графические изображения диодов

Рассмотрим диод с плоскими электродами. Анодное напряжение создает между анодом и катодом электрическое поле. Если нет электронной эмиссии катода, то поле будет однородным. Когда катод испускает большое число электронов, то они в пространстве анод — катод создают отрицательный объемный (пространственный) заряд, препятствующий движению электронов к аноду. Наиболее плотный объемный заряд вблизи катода (рис. 1). За счет объемного заряда электрическое поле становится неоднородным.

Возможны два основных режима работы диода. Если поле на всем протяжении от катода до анода ускоряющее, то любой электрон, вылетевший из катода, ускоренно движется на анод. Ни один электрон не возвращается на катод, и анодный ток будет наибольшим, равным току эмиссии. Это режим насыщения. Ему соответствует анодный ток насыщения

Второй — режим объемного заряда (точнее, режим ограничения анодного тока объемным зарядом), когда вблизи катода поле является тормозящим. Тогда электроны, имеющие малую начальную скорость, не могут преодолеть тормозящее поле и возвращаются на катод. Электроны с большей начальной скоростью летят к аноду.

Рис. 1. Объемный электронный заряд в диоде

В этом режиме анодный ток меньше тока эмиссии

Наглядное представление о процессах в диоде дают потенциальные диаграммы, показывающие распределение потенциала в пространстве анод — катод (рис.2). По горизонтальной оси откладывают расстояние от катода, а по вертикальной — потенциал. Потенциал катода принимается за нулевой.

Когда катод не накален, то объемный заряд отсутствует и поле однородно. Потенциал растет пропорционально расстоянию от данной точки до катода (прямая 1). Если же катод накален, то существует объемный отрицательный заряд, и тогда потенциалы всех точек понизятся, за исключением потенциалов катода и анода, так как анодное напряжение задается внешним источником. Линия распределения потенциала прогнется вверх (кривая 2). Когда объемный заряд небольшой, то во всех точках потенциал остается положительным (кривая 2находится ниже горизонтальной оси) и поле будет ускоряющим, что соответствует режиму насыщения. При увеличении накала катода объемный заряд также растет и потенциал в различных точках понижается еще больше. Кривая распределения потенциала прогибается сильнее, и отрицательный потенциал вблизи катода может превысить по абсолютному значению положительный потенциал ускоряющего поля анода. Результирующий потенциал становится отрицательным (кривая 3, которая вблизи катода расположена выше горизонтальной оси)

Рис..2. Потенциальные диаграммы диода при постоянном анодном напряжении и разном напряжении накала

На некотором расстоянии х ₀от катода потенциал становится минимальным (φ_мин) и обычно составляет десятые доли вольта. На этом участке электрическое поле является тормозящим. Около катода образуется потенциальный барьер. На анод попадают только те электроны, у которых начальная скорость достаточна для преодоления потенциального барьера. Электроны с меньшей начальной скоростью теряют энергию, не дойдя до «вершины» потенциального барьера. Они возвращаются на катод. Кривая 3соответствует режиму объемного заряда. Следующее увеличение накала характеризует кривая 4:потенциальный барьер стал выше и «отодвинулся» от катода.

На рис..3 даны потенциальные диаграммы при различном анодном напряжении и постоянном напряжении накала. При некотором значении U_a наступает режим насыщения (кривая 1), при меньшем напряжении — режим объемного заряда (кривая 2). Кривая 3 для еще более низкого напряжения показывает, что потенциальный барьер стал выше. Кривая 4 соответствует напряжению U_a = 0.Для получения U_a = 0 надо замкнуть анод с катодом.

Рис..3. Потенциальные диаграммы диода при постоянном напряжении накала и разном анодном напряжении

Кривая 5 соответствует разрыву цепи анода. В первый момент после размыкания анод имеет нулевой потенциал, что соответствует кривой 4. Правый конец диаграммы сдвигается вверх (кривая 5), потенциальный барьер повышается, и на анод попадает все меньше электронов. Когда барьер настолько увеличится, что ни один электрон не сможет его преодолеть, возрастание отрицательного потенциала анода прекратится.

Таким образом, изменение анодного тока при изменении анодного напряжения в режиме объемного заряда происходит за счет изменения высоты потенциального барьера около катода. Если анодное напряжение увеличивается, то барьер становится ниже, его преодолевает больше электронов и анодный ток возрастает. При уменьшении анодного напряжения потенциальный барьер повышается, меньше электронов может его преодолеть, больше электронов возвращается на катод, т. е. анодный ток уменьшается.