§ 8. Применение вакуумных приборов

Определения и обозначения

Вакуумный диод — прибор с катодом и анодом, в котором ток в вакууме возможен преимущественно в одном направлении. Катод испускает электроны, а анод собирает их. Поэтому диод используют для выпрямления переменного тока.

Вакуумный триод — прибор с катодом, анодом и управляющей сеткой, позволяющей изменять анодный ток. Сетка не создаёт электроны, а регулирует их движение между электродами. Это свойство позволяет усиливать электрические сигналы.

Электронный пучок — направленный поток электронов, ускоренных электрическим полем. Пучок можно фокусировать и отклонять, изменяя действующие на него поля. Он служит переносчиком энергии и сигнала в электронно-лучевых устройствах.

Электронно-лучевая трубка — вакуумный прибор, в котором электронный пучок создаёт изображение на люминесцентном экране. Такой экран светится при попадании быстрых электронов. Изменяя положение и яркость пучка, можно отображать электрические сигналы.

Как это устроено

Нагрев катода вызывает термоэлектронную эмиссию — выход электронов с его поверхности. При нагревании электроны получают дополнительную энергию и часть из них преодолевает силы, удерживающие их в металле. В вакууме им почти не мешают столкновения с молекулами газа, поэтому вокруг катода образуется электронное облако, из которого может возникнуть направленный ток.

Положительное напряжение на аноде создаёт электрическое поле, направленное так, что электроны притягиваются к аноду. Двигаясь к нему, отрицательно заряженные частицы переносят заряд, и в цепи появляется анодный ток. Если изменить полярность, отрицательный анод отталкивает электроны, испущенные катодом, поэтому он почти не собирает их и ток резко уменьшается.

В триоде управляющая сетка находится между катодом и анодом, поэтому её поле влияет на движение электронов ещё до их попадания к аноду. При более отрицательном напряжении сетка сильнее отталкивает электроны и уменьшает анодный ток. Небольшое изменение напряжения сетки может вызвать значительно большее изменение тока в анодной цепи, благодаря чему триод применяют для усиления сигналов.

В электронно-лучевой трубке электрическое поле сначала ускоряет электроны, увеличивая их кинетическую энергию, а затем фокусирует их в узкий пучок. Отклоняющие пластины создают поперечное электрическое поле, а катушки могут отклонять пучок магнитным полем. Попав на люминесцентный экран, электроны передают ему энергию и вызывают свечение; перемещение пучка и изменение его интенсивности дают изображение или график сигнала.

Вакуумные приборы и их применение

Сначала определите, какие части прибора создают и направляют поток электронов. Затем сопоставьте способ управления потоком с назначением устройства. Диод отвечает за одностороннее прохождение, триод — за управление током, а трубка — за формирование изображения.

Разбор задач

Задача 1

В вакуумном диоде катод нагрет, а анод подключён сначала к положительному, затем к отрицательному полюсу источника. Нужно определить, в каком случае возникнет анодный ток. Решение связывает полярность анода с направлением движения электронов.

1. Нагретый катод испускает электроны, поэтому источник электронов уже есть.
2. При положительном аноде электрическое поле притягивает электроны к нему, и они достигают анода.
3. При отрицательном аноде электроны отталкиваются, поэтому их поток к аноду практически прекращается.

Ответ: анодный ток возникает, когда анод подключён к положительному полюсу источника. При отрицательном аноде ток практически отсутствует.

Задача 2

Нужно объяснить, как небольшое изменение напряжения на сетке триода вызывает заметное изменение анодного тока. Сетка расположена между катодом и анодом, поэтому её поле непосредственно влияет на проходящие электроны.

1. Катод испускает электроны, а положительный анод стремится притянуть их.
2. Изменение напряжения сетки изменяет электрическое поле в промежутке между катодом и анодом.
3. Из-за этого меняется число электронов, преодолевающих область сетки и достигающих анода.
4. Следовательно, малое изменение напряжения сетки управляет более сильным изменением анодного тока.

Ответ: сетка действует как управляющий электрод: она регулирует электронный поток, а значит, и анодный ток. Поэтому триод способен усиливать сигнал.

Задача 3

Электрон в электронно-лучевой трубке ускоряется разностью потенциалов 200 В. Требуется найти приобретённую кинетическую энергию в электрон-вольтах и джоулях. Используем работу электрического поля: при прохождении напряжения U энергия электрона увеличивается на eU.

1. В электрон-вольтах энергия численно равна напряжению, если заряд частицы равен элементарному заряду: E = 200 эВ.
2. Один электрон-вольт равен 1,6 · 10⁻¹⁹ Дж.
3. Переводим результат: E = 200 · 1,6 · 10⁻¹⁹ Дж = 3,2 · 10⁻¹⁷ Дж.

Ответ: электрон приобрёл кинетическую энергию 200 эВ, или 3,2 · 10⁻¹⁷ Дж.

Типичные ошибки

Положительные ионы вместо электронов. В рассматриваемых приборах ток создают электроны, испущенные катодом, а не положительные ионы. Ошибка возникает из-за общего представления о частицах в токе; проверьте, какая частица выходит из нагретого катода.

Одинаковая проводимость диода при любой полярности. Анод собирает электроны только при положительном потенциале. Чтобы проверить себя, изобразите движение электронов от катода и выясните, притягивает ли их анод.

Сетка как источник электронов. Сетка лишь управляет потоком, тогда как электроны испускает катод. Если мысленно убрать катод, электронному потоку будет неоткуда взяться.

Самостоятельное свечение экрана. Экран светится не сам по себе, а под действием электронного пучка. Проверка проста: свяжите яркость свечения с попаданием электронов и их энергией.

Связь с другими темами

Для понимания вакуумных приборов нужны знания об электрическом токе, заряде и движении частиц в электрическом поле. Термоэлектронная эмиссия объясняет, почему нагретый катод становится источником электронов.

Управление электронным пучком связано с работой усилителей, электронных приборов и устройств отображения информации. Эти принципы помогают понять, как электрический сигнал можно усилить, направить и превратить в изображение.

Что запомнить

• В вакууме электроны движутся от катода к аноду.
• Нагретый катод испускает электроны.
• Вакуумный диод проводит ток преимущественно в одном направлении.
• Напряжение на сетке триода управляет анодным током.
• В электронно-лучевой трубке пучок можно ускорять, фокусировать и отклонять.
• Свечение экрана возникает при попадании на него электронов.