§ 3.12. Двухэлектродная электронная лампа — диод

Определения и обозначения

Двухэлектродная электронная лампа (диод) — вакуумный прибор с катодом и анодом, проводящий ток преимущественно в одном направлении. Внутри лампы электроны перемещаются между электродами, а вакуум помогает им не сталкиваться с частицами газа. Диод используют, когда нужно пропускать ток в одном направлении и ограничивать его в противоположном.

Катод — электрод, который нагревают для испускания электронов. Он служит их источником внутри лампы, поэтому без эмиссии катода току не из чего возникнуть. Температура катода влияет на то, сколько электронов сможет покинуть его поверхность.

Анод — электрод, собирающий электроны, испущенные катодом, если его потенциал выше потенциала катода. Разность потенциалов создаёт электрическое поле, которое направляет электроны к аноду. Потенциал анода относительно катода определяет, будет ли поле притягивать или отталкивать электроны.

Термоэлектронная эмиссия — испускание электронов нагретой поверхностью. Чтобы вырваться из вещества, электрону нужно преодолеть притяжение атомов; минимальную энергию, необходимую для выхода, называют работой выхода. Нагрев помогает некоторым электронам получить такую энергию, поэтому появляется поток электронов от катода.

Как это устроено

Внутри диода находятся катод и анод, разделённые вакуумом. В газе летящие электроны сталкивались бы с его частицами и меняли направление или теряли энергию. Вакуум уменьшает такие столкновения, поэтому электроны могут перемещаться от одного электрода к другому. Сам по себе вакуум, однако, не создаёт электроны: их источником остаётся катод.

Катод нагревают, потому что электроны связаны с веществом и не могут свободно покинуть его при любой энергии. При нагревании часть электронов получает энергию, достаточную для преодоления работы выхода. Они вылетают с поверхности, и вокруг катода образуется электронное облако. Чем больше таких электронов испускается за единицу времени, тем больше может быть ток в лампе.

Если анод имеет положительный потенциал относительно катода, электрическое поле действует на отрицательно заряженные электроны силой, направленной к аноду. Достигнув анода, электроны замыкают движение зарядов во внешней цепи, и появляется электрический ток. При обратной полярности анод отрицателен и отталкивает электроны от себя. Поэтому электроны не переносятся к аноду так, как при прямом включении, и ток в принятом идеальном описании близок к нулю.

При увеличении положительного анодного напряжения поле становится сильнее и ускоряет электроны. Сначала это помогает аноду собирать всё большую долю электронов, которые уже вылетели из катода; поэтому анодный ток растёт. При достаточно сильном поле почти все испущенные электроны достигают анода. Тогда дальнейшее увеличение напряжения почти не повышает ток: наступает ток насыщения.

Количество электронов, которые катод испускает за единицу времени, зависит от его температуры. При более сильном нагреве больше электронов преодолевает работу выхода, поэтому аноду доступен больший поток зарядов. В результате увеличивается ток насыщения, а график зависимости тока от напряжения меняет свой верхний уровень. Значит, характеристика диода определяется и анодным напряжением, и температурой катода.

Электроды диода и режимы его работы

Сначала определите потенциал анода относительно катода: это покажет, прямое включение или обратное. Затем проследите, куда поле направляет электроны, и свяжите их движение с током. Для режима насыщения проверьте, может ли увеличение напряжения ещё заметно увеличить число электронов, достигающих анода.

Как это устроено

Схематическая вольт-амперная характеристика показывает, как ток зависит от анодного напряжения. Её горизонтальная ось соответствует напряжению, а вертикальная — току. При отрицательном напряжении ток близок к нулю, а при положительном сначала растёт и затем приближается к насыщению. График качественный: он показывает общий ход зависимости, а не точные значения для конкретной лампы.

По графику можно увидеть, что ток не пропорционален напряжению на всём диапазоне. В области роста анодное поле собирает всё больше электронов, а вблизи насыщения их число ограничено эмиссией катода. Если при сравнении графиков один выходит на более высокий уровень тока, соответствующему катоду свойственна более интенсивная эмиссия. Причину большего уровня нужно связывать с условиями катода, прежде всего с его температурой.

Ток насыщения — предельный ток для данной интенсивности испускания электронов катодом. Он не означает, что ток перестал существовать: это участок, где его величина почти перестаёт зависеть от дальнейшего роста анодного напряжения. Чтобы увеличить такой предел, нужно увеличить число испускаемых электронов, например нагреть катод сильнее. Поэтому характеристики, снятые при разных температурах, могут иметь разные уровни насыщения.

Знак анодного напряжения помогает понять, в какую сторону направлено поле, но направление движения электронов не совпадает с условным направлением тока. Электроны имеют отрицательный заряд и движутся к положительному аноду. Условный ток направлен так, как двигались бы положительные заряды, то есть от анода к катоду. Это различие важно при описании любой цепи, в которой основными носителями являются электроны.

Сравнивая характеристики, сначала определите область напряжений, а затем смотрите на значение тока. Почти нулевой ток при отрицательном напряжении соответствует обратному включению, возрастающий ток — сбору всё большей доли электронов. Почти горизонтальный участок при положительном напряжении указывает на приближение к насыщению. Уровень этого участка позволяет сравнить токи насыщения при разных температурах катода.

Напряжение указывают относительно катода: положительное анодное напряжение означает, что потенциал анода выше. Эта договорённость снимает неоднозначность выражения «анод включён прямо». Если меняют температуру, сравнение нужно вести при одинаковом понимании полярности и по предельным токам, а не только по отдельной точке графика. Так можно отделить влияние поля от влияния числа испускаемых электронов.

У идеального описания обратный ток принимают близким к нулю, поскольку отрицательный анод не собирает электроны. В реальном приборе возможны малые токи и побочные процессы, но для объяснения работы диода на школьном уровне достаточно различать прямое и обратное включение. Главное — не переносить на диод представление о постоянном сопротивлении. Его ток определяется тем, сколько электронов испускает катод и сколько из них поле доставляет к аноду.

Электроды диода и режимы его работы

Сначала определите потенциал анода относительно катода: это покажет, прямое включение или обратное. Затем проследите, куда поле направляет электроны, и свяжите их движение с током. Для режима насыщения проверьте, может ли увеличение напряжения ещё заметно увеличить число электронов, достигающих анода.

Разбор задач

Задача 1

Катод диода нагрет, анод подключён к положительному полюсу источника. Определите направление движения электронов и направление условного тока в лампе. Сначала выясним, какой электрод создаёт электроны: это нагретый катод. Затем учтём, что положительный анод притягивает отрицательно заряженные частицы. Условное направление тока задают противоположно направлению движения электронов.

1. Катод испускает электроны благодаря нагреванию. Значит, электроны начинают движение от катода.

2. Положительный анод притягивает их, поэтому они летят к аноду. Их направление — от катода к аноду.

3. Условный ток направлен противоположно движению отрицательных электронов. Поэтому он направлен от анода к катоду.

Ответ: электроны движутся от катода к аноду, условный ток направлен от анода к катоду. Проверка: направления должны быть противоположны, поскольку носители заряда отрицательны. Если в ответе оба направления совпали, перепутано движение электронов с направлением тока.

Задача 2

При неизменной температуре катода анодное напряжение увеличили. Объясните, как изменится ток до достижения насыщения и почему. Температура здесь не меняется, поэтому число электронов, испускаемых катодом за единицу времени, остаётся примерно тем же. Меняется сила электрического поля между электродами. Нужно выяснить, как поле влияет на долю электронов, достигающих анода.

1. Увеличение положительного анодного напряжения усиливает поле, направленное к аноду. Электроны сильнее ускоряются к нему.

2. Более сильное поле помогает аноду собирать большую долю электронов, уже испущенных катодом. Поэтому ток увеличивается.

3. Рост продолжается, пока не будут собраны почти все испущенные электроны. После этого возникает насыщение, и дальнейший рост напряжения почти не меняет ток.

Ответ: до насыщения ток растёт, потому что поле доставляет к аноду всё большую долю электронов. Температура катода не меняется, поэтому рост нельзя объяснять увеличением эмиссии. В режиме насыщения ограничение задаёт число электронов, которое катод испускает.

Задача 3

При двух температурах катода сняли вольт-амперные характеристики диода. Сравните токи насыщения и объясните, как по графикам определить, какой катод нагрет сильнее. Сравнивать нужно предельные значения тока при достаточно большом положительном анодном напряжении. Нельзя делать вывод только по наклону начальной части кривой: он связан с тем, как поле собирает электроны. Для решения проследим, где каждая характеристика выходит на почти горизонтальный участок.

1. На каждой характеристике найдите область насыщения: ток там почти не меняется при дальнейшем увеличении напряжения. Уровень этого участка и есть ток насыщения.

2. Сравните уровни участков. У кривой, которая выходит на больший ток, ток насыщения больше.

3. Более высокий ток насыщения означает, что катод испускает больше электронов за единицу времени. Следовательно, сильнее нагрет катод, соответствующий этой кривой.

Ответ: сравните предельные токи на графиках; больший ток насыщения соответствует более высокой температуре катода. Основание вывода в том, что нагрев увеличивает число электронов, преодолевающих работу выхода. Сравнивать следует кривые при одинаковом масштабе оси тока.

Типичные ошибки

Ошибка: считать ток пропорциональным анодному напряжению при любых условиях. Так могут рассуждать, перенося на диод привычную модель проводника с постоянным сопротивлением. Но характеристика диода нелинейна, а в режиме насыщения ток почти не растёт. Проверьте себя по графику: если наклон кривой меняется или появляется почти горизонтальный участок, пропорциональности на всём диапазоне нет.

Ошибка: путать движение электронов с условным направлением тока. Такое происходит, когда забывают, что электрон заряжен отрицательно. Электроны движутся от катода к аноду, а условный ток направлен противоположно. Проверка проста: для отрицательных носителей эти два направления должны различаться.

Ошибка: считать ток при обратном включении таким же, как при прямом. При положительном аноде поле притягивает электроны, а при отрицательном отталкивает их. Поэтому в идеальном описании обратный ток близок к нулю, а не равен прямому. Перед выводом о токе сравните потенциалы анода и катода и определите направление силы, действующей на электрон.

Ошибка: полагать, что ток насыщения определяется только анодным напряжением. Напряжение помогает собирать электроны, но в насыщении анод уже собирает почти все, испущенные катодом. Допускают эту ошибку, если не учитывают термоэлектронную эмиссию. Проверьте себя: при одной и той же достаточной величине напряжения более высокая температура катода даёт больший ток насыщения.

Связь с другими темами

Для понимания работы диода нужно знать, куда направлены электрическое поле и сила, действующая на заряд, а также отличать движение электронов от условного направления тока. Тема работы выхода объясняет, почему электронам требуется энергия для выхода из катода, а термоэлектронная эмиссия показывает роль нагрева. Диод связывает эти представления с устройством электронных приборов. Его способность проводить ток преимущественно в одном направлении используется при выпрямлении переменного тока.

Что запомнить

• Диод содержит два электрода: катод и анод.
• Нагретый катод испускает электроны.
• При положительном аноде электроны движутся от катода к аноду.
• Внешний ток в лампе возможен преимущественно при прямом включении.
• Вольт-амперная характеристика диода нелинейна.
• При насыщении анод собирает почти все электроны, испускаемые катодом.
• Повышение температуры катода увеличивает ток насыщения.