Свойство вещества излучать электроны с поверхности называется электронной эмиссией.
Согласно квантовой теории, электроны проводимости обладают энергией и могут на некоторое время выйти за пределы кристаллической решетки вещества. При этом на границе металл — вакуум образуется двойной электрический слой и каждый вылетающий электрон вынужден преодолевать тормозное действие двойного электрического поля (рис. 1, а).
Рис. 1. Образование двойного электрического слоя
Для преодоления действия двойного электрического поля электрону необходимо сообщить дополнительную энергию. Та минимальная дополнительная энергия, которую надо сообщить электрону на преодоление силы электростатического взаимодействия со своим зеркальным отражением до полного удаления электрона из вещества. называется работой выхода (рис. 1, б).
В зависимости от способа сообщения электронам дополнительной энергии существуют следующие виды электронной эмиссии:
- термоэлектронная, возникающая при нагревании электрода;
- фотоэлектронная, возникающая при воздействии светового потока на электрод;
- автоэлектронная, возникающая под действием сильного внешнего электрического поля, которое достаточно для преодоления силы притяжения поверхности электрода;
- вторичная электронная, сущность которой заключается в следующем. Поверхность электрода обстреливается электронами, кинетическая энергия которых передается электронам вещества. В результате некоторые электроны приобретают энергию, достаточную для совершения работы выхода, и излучаются в окружающее пространство.
Рис. 2. Устройство диода (а) и распределение потенциалов в диоде при различных значениях температуры (б) и анодного напряжения (в)
В электронных лампах используется в основном термоэлектронная эмиссия, поэтому катоды ламп в рабочем состоянии нагреваются до высокой температуры.
При нагреве катода эмиттированные им электроны образуют у его поверхности электронное облако. С увеличением плотности заряда электронного облака вылет новых электронов с поверхности катода затрудняется и устанавливается динамическое равновесие. При подключении к аноду положительного (относительно катода) напряжения Uа в межэлектродном пространстве диода создается постоянное электрическое поле. Под действием сил этого поля часть электронов устремляется к аноду, вызывая электрический ток Ia (рис. 2).
В случае подключения к аноду отрицательного (относительно катода) напряжения электроны испытывают тормозящее действие сил электрического поля и ток в цепи анод — катод не протекает. Это означает, что диод обладает односторонней проводимостью, диодный ток определяется числом электронов, достигших анода за единицу времени, и зависит от степени нагрева катода.
При слабом нагреве катода объемный отрицательный заряд невелик, поэтому потенциалы всех точек поля межэлектродного пространства положительные, все эмиттируемые катодом электроны устремляются к аноду и достигают его. С увеличением температуры катода плотность объемного заряда увеличивается и сила, притягивающая электрон к катоду, также увеличивается. Поэтому число электронов, достигших анода, уменьшается, а величина анодного тока Iа начинает зависеть от напряжения Ua.
Рис. 3. Двухэлектродная лампа: а - схема включения для снятия характеристик; б - вольтамперные характеристики
Основной характеристикой диода является анодная, определяющая зависимость анодного тока Iа от анодного напряжения при постоянном напряжении или токе накала: Ia=f(Ua) при Uн=const.
Несколько таких характеристик, снятых при различных токах накала катода, представляют семейство анодных характеристик (рис. 3). По их виду можно сделать следующие выводы: анодный ток возрастает с увеличением напряжения анода, стремясь к току насыщения Is; чем больше напряжение накала и температура катода, тем больше его эмиссия и значение тока насыщения, поэтому характеристика Ia=f(Ua) при Uн1 лежит выше характеристики Ia=f(Ua) при Uн2, где Uн1>Uн2.
Электронные диоды применяют для выпрямления переменных токов высокой и низкой частоты. Во втором случае они называются кенотронами. В схемах двухполупериодного выпрямления применяют двуханодные диоды (кенотроны). Диоды характеризуются допустимым обратным напряжением. Если обратное напряжение больше допустимого, то напряженность электрического поля будет настолько велика, что может произойти электрический пробой промежутка катод—анод. При этом катод может выйти из строя.
Маркировка электронных приборов состоит из элементов:
I — число, указывающее напряжение нити накала, В;
II — буква русского алфавита, характеризующая тип лампы (Д—диод, X—двойной диод, Ц—кенотрон);
III — число, указывающее заводской номер;
IV— буква, характеризующая оформление лампы (С — стеклянный баллон, П — пальчиковая, А, Б — сверхминиатюрная, К—металлокерамический баллон).
