Вольт амперная характеристика тока в вакууме

У этого термина существуют и другие значения, см. Диод (значения).

several vacuum rectifier valves (WI1 5/20, PY88, EY51)

Электровакуумный диод

— вакуумная двухэлектродная электронная лампа. Катод диода нагревается до температур, при которых возникает термоэлектронная эмиссия. При подаче на анод отрицательного относительно катода напряжения все эмитированные катодом электроны возвращаются на катод, при подаче на анод положительного напряжения часть эмитированных электронов устремляется к аноду, формируя его ток. Таким образом, диод выпрямляет приложенное к нему напряжение. Это свойство диода используется для выпрямления переменного тока и детектирования сигналов высокой частоты. Практический частотный диапазон традиционного вакуумного диода ограничен частотами до 500 МГц. Дисковые диоды, интегрированные в волноводы, способны детектировать частоты до 10 ГГц[1].

Устройство[ | ]

Обозначение на схемах диода с катодом непрямого накала.
Электровакуумный диод представляет собой сосуд (баллон), в котором создан высокий вакуум. В баллоне размещены два электрода — катод и анод. Катод прямого накала представляет собой прямую или W-образную нить, разогреваемую током накала. Катод косвенного накала — длинный цилиндр или короб, внутри которых уложена электрически изолированная спираль подогревателя. Как правило, катод вложен внутрь цилиндрического или коробчатого анода, который в силовых диодах может иметь рёбра или «крылышки» для отвода тепла. Выводы катода, анода и подогревателя (в лампах косвенного накала) соединены с внешними выводами (ножками лампы).

Основные характеристики вакуумного диода

Охарактеризовать вакуумный диод можно по следующим параметрам:

Крутизне ВАХ;
Дифференциальному сопротивлению;
Максимально допустимому обратному напряжению;
Запирающему напряжению;
Максимально допустимой рассеиваемой мощности;

Вычисление крутизны и внутреннего сопротивления осуществляется через анодное напряжение и уровень температуры на катоде.

Электрический ток в различных средах

Какой проводимостью обладают металлы? Чем это объясняется?

Металлы обладают хорошей электрической проводимостью, объясняется присутствием в них свободных электронов, которые под влиянием даже не большой разности потенциалов приобретают направленное движение от отрицательного полюса к положительному.

Зависимость сопротивления металлических проводников от температуры.

С увеличение температуру сопротивление металлического проводника увеличивается. R=R* (1 + α*∆T) , где R-сопротивление при 0 0 С. α-температурный коэффициент сопротивления α>0. ∆Т-t.

Сверхпроводимость.

свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими критической температуры.

Свойство сверхпроводника.

1)Сопротивление =0,значит не выделяется теплота;2)Магнитное поле не проникает в проводник, сверхпроводник отталкивается от любого полюса магнита.

Что такое вакуум?

это такая степень разрежения газа, при которой соударений молекул практически нет.

Когда наступает вакуум?

Когда длина свободного пробела частиц в сосуде больше размеров в сосуде.

Понятие термоэлектронной эмиссии.

это испускание электронов твердыми или жидкими телами при их нагревании до температур, соответствующих видимому свечению раскаленного металла.

Принцип работы[ | ]

При разогреве катода электроны начнут покидать его поверхность за счёт термоэлектронной эмиссии. По мере того как электроны покидают поверхность катода и накапливаются в его атмосфере, возникает область отрицательного заряда. При этом в такой же пропорции поверхность начинает заряжаться положительно. В итоге каждому следующему электрону для отрыва из атома потребуется больше энергии, а сами электроны будут удерживаться положительно заряженной поверхностью в некоторой ограниченной по объему области над катодом. В результате вокруг катода образуется своего рода облако электронов. Часть электронов с наименьшими скоростями из облака падает обратно на катод. При заданной температуре катода облако стабилизируется: на катод падает столько же электронов, сколько из него вылетает.

Уже при нулевом напряжении анода относительно катода (например, при коротком замыкании анода на катод) в лампе течёт ток электронов из катода в анод: относительно быстрые электроны преодолевают потенциальную яму пространственного заряда и притягиваются к аноду. Отсечка тока наступает только тогда, когда на анод подано запирающее отрицательное напряжение порядка −1 В и ниже. При подаче на анод положительного напряжения в диоде возникает ускоряющее поле, ток анода возрастает. При достижении током анода значений, близких к пределу эмиссии катода, рост тока замедляется, а затем стабилизируется (насыщается).

Принцип функционирования диода вакуумного типа

Чтобы схема, в которую входит выпрямитель вакуумного типа, работала как надо, следует понимать принцип работы такой детали.

Принцип работы диода

Принцип работы вакуумных диодов представляет собой следующую картину:

в ходе разогрева катода, электроны с его поверхности начнут отделяться;
их отделение происходит за счет формирования термоэлектронной эмиссии;
освобожденные с поверхности электроны начинают препятствовать вылету других электронов. В следствии этого вокруг поверхности катода образуется облако электронов;
часть электронов этого облака, обладающие наименьшими скоростями, опускается обратно на поверхность катода;
в ситуации, когда задается определенная температура, облако электронов стабилизируется. Это означает, что с катода вылетает столько же электронов, сколько потом на него опускается;
при наличии нулевого напряжения, например, при ситуации короткого замыкания анода на катоде, в лампе начинает течь ток электронов по направлению от катода к аноду. В данной ситуации наиболее быстрые электроны способны преодолеть имеющуюся потенциальную яму, из-за чего они и притягиваются к аноду. Отсечка тока происходит в той ситуации, когда на анод подается отрицательное запирающее напряжение. Это напряжение должно иметь один вольт или ниже.
в ситуации подачи положительного напряжения на анод, в диоде формируется ускоряющее поле, которое способствует возрастанию на аноде тока. Когда ток на этом элементе достигает значений, которые близки в пределу эмиссии катода, происходит замедление роста тока и его стабилизация. Т.е. наблюдается эффект «насыщения».

Вот по такому принципу работают диоды вакуумного типа.

Основные параметры[ | ]

К основным параметрам электровакуумного диода относятся:

Крутизна ВАХ: S = d I a d U a {\displaystyle S={dI_{a} \over dU_{a}}} — изменение анодного тока в мА на 1 В изменения напряжения.
Дифференциальное сопротивление: R i = 1 S {\displaystyle R_{i}={1 \over S}}
Ток насыщения.
Запирающее напряжение — отрицательное напряжение на аноде относительно катода, необходимое для прекращения тока в диоде.
Максимально допустимое обратное напряжение. При некотором напряжении, приложенном в обратном направлении, происходит пробой диода — проскакивает искра между катодом и анодом, что сопровождается резким возрастанием силы тока.
Максимально допустимая рассеиваемая мощность.

Крутизна и внутреннее сопротивление являются функциями от анодного напряжения и температуры катода.

Если температура катода постоянна, то в пределах участка «трех вторых» крутизна равна первой производной от функции «трех-вторых».

Вольт-амперная характеристика (ВАХ)

Вольт-амперная характеристика диодов вакуумного типа состоит из трёх участков:

Характеризуется медленным возрастанием тока и повышением уровня напряжения на анодном электроде, что рассматривается как следствие оказываемого электронным облаком (с отрицательным зарядом) сопротивления. Уровень тока на аноде весьма низок, но он увеличивается по экспоненте вместе с напряжением. Это происходит благодаря неоднородности скоростей движущихся электронов. Чтобы прекратить анодный ток потребуется отрицательное, запирающее напряжение на аноде.

Закон степени 3/2-х. Второй участок.

Проявляется взаимозависимость тока и напряжения на аноде в соответствии с законом степени 3/2-х, где одна из переменных находится в зависимости от роста катодной температуры.

Если уровень напряжения продолжает увеличиваться, то происходит замедление, а затем и прекращение роста тока, поскольку все электроны приникают к аноду, эмиссионный потенциал катода израсходован.Ток, который при этом устанавливается на аноде, называется током насыщения.

Маркировка приборов[ | ]

Электровакуумные диоды маркируются по такому принципу, как и остальные лампы:

Первое число обозначает напряжение накала, округлённое до целого.
Второй символ обозначает тип электровакуумного прибора. Для диодов:
Ц
— кенотрон (выпрямительный диод)
X
— двойной диод, то есть содержащий два диода в одном корпусе с общим накалом.
МХ
— механотрон-двойной диод
МУХ
— механотрон-двойной диод для измерения углов
Следующее число — это порядковый номер разработки прибора.
И последний символ — конструктивное выполнение прибора:
П
— пальчиковые лампы (стеклянный баллон диаметром 19 или 22,5 мм с жёсткими штыревыми выводами без цоколя).
Б
— миниатюрная серия с гибкими выводами и с диаметром корпуса менее 10 мм.
А
— миниатюрная серия с гибкими выводами и с диаметром корпуса менее 6 мм.
К
— серия ламп в керамическом корпусе.

Если четвертый элемент отсутствует, то это говорит о присутствии металлического корпуса!

Вольт-амперная характеристика

Во время работы вакуумной лампы для эмиссии заряженных частиц требуется определенная температура. Анодный электроток появляется после того, как электроны начинают перемещаться к аноду, обозначается как Іа при напряжении Uа. Вольтаж накала обозначается как Uн.

Для создания графика ВАХ (вольт амперной характеристики) подается небольшое плюсовое напряжение на анод, если оно постепенно увеличивается, отмечается увеличение тока. В процессе построения графика цифровые значения вольтажа откладываются на горизонтальной оси, на вертикальной – параметры анодного тока.

Если напряжения нет (Uа=0) электроны не перемещаются к аноду (Іа=0). После подключения вакуумного диода к источнику питания электроток растет медленно, потом увеличивается быстрее (до достижения точки Б). Если напряжение повышается, рост тока снижается, при достижении точки В прекращается.

Внимание! Чтобы анодный ток в вакуумном диоде увеличить после точки В, требуются дополнительные заряженные частицы. Так как они отсутствуют, необходимо увеличить накал электрода. Этот способ использовать нежелательно из-за уменьшения срока эксплуатации лампы.

ВАХ определяется при проведении технических расчетов перед использованием вакуумного диода.

Вольт-амперная характеристика вакуумного диода

Главной характеристикой диода является зависимость силы его анодного тока Iа от напряжения между анодом и катодом (анодного напряжения) Uа при номинальном накале катода. Эту зависимость изображают в виде графика, который и называют вольт-амперной (анодной) характеристикой.

Для снятия характеристики диода составляют электрическую цепь по схеме, изображенной на рис. 7.9. Здесь можно выделить цепь накала катода, в которую входит источник накала и выключатель S. В анодную цепь входит промежуток в лампе анод-катод, миллиамперметр для измерения силы анодного тока, вольтметр для измерения анодного напряжения Uа, реостат R, включенный как делитель напряжения, и источник анодного напряжения.

Изменяя с помощью резистора R напряжение между анодом и катодом, а также изменяя полярность включения анодного источника, измеряют силу тока в анодной цепи и строят график, который показан на рис. 7.10, для чистого металлического (неактивированного) катода.

Дело в том, что ток насыщения можно получить лишь у диодов, катоды которых металлические. Такие катоды из чистого вольфрама используются, например, в электронных микроскопах. Материал с сайта https://worldofschool.ru

Рис. 7.9. Схема установки для исследования вольт-амперной характеристики

Рис. 7.10. Вольт-амперная характеристика диода

В подавляющем большинстве электронных ламп для уменьшения работы выхода электронов из катода последние покрывают различными веществами. Так, например, если нанести на вольфрам одну из окисей щелочноземельных металлов (бария и др.), то работа выхода уменьшается почти в 3 раза.

При исследовании диодов с активированными катодами можно наблюдать явление автоэлектронной эмиссии.

Автоэлектронная эмиссия — явление, когда за счет энергии электрического поля между анодом и катодом можно добиться вырывания свободных электронов с холодного (не раскаленного) катода.

Автоэлектронная эмиссия применяется в электронных лампах с холодным катодом (на графике показано пунктиром).

На этой странице материал по темам:

Вольт амперная характеристика в вакууме
Вольт-амперная характеристика вакуумного диода физика
Особенности вольт-амперной характеристики тд
График вах вакуумного диода
Вольтамперная характеристика вакуумного диода

Вопросы по этому материалу:

Что такое вольт-амперная характеристика диода?
Объясните характер изменения силы анодного тока в диоде при изменениях напряжения между анодом и катодом.

Вольт-амперная хаpaктеристика

Для создания графика ВАХ (вольт амперной хаpaктеристики) подается небольшое плюсовое напряжение на анод, если оно постепенно увеличивается, отмечается увеличение тока. В процессе построения графика цифровые значения вольтажа откладываются на горизонтальной оси, на вертикальной – параметры анодного тока.

Образуется кривая:

Внимание! Чтобы анодный ток в вакуумном диоде увеличить после точки В, требуются дополнительные заряженные частицы. Так как они отсутствуют, необходимо увеличить накал электрода. Этот способ использовать нежелательно из-за уменьшения срока эксплуатации лампы.

ВАХ определяется при проведении технических расчетов перед использованием вакуумного диода.

Маркировка приборов

При нанесении маркировки на вакуумные диоды используется тот же принцип, что для других видов ламп:

цифра, указывающая напряжение;
тип лампочки – диод (Д), выпрямитель (Ц), 2 диода в одном корпусе (Х), механотрон (МХ);
номер разработки;
конструкция — баллон из стекла (С), пальчиковый (П), миниатюрный 10 мм (Б), миниатюрный 6 мм (А), керамический (К).

Если четвертый элемент не обозначен, корпус металлический.