Lampa elektronowa
Lampę elektronową wynalazł i zbudował w roku 1904 A. Fleming, angielski fizyk. Bardzo szybko odkryto możliwości zastosowań lamp termoemisyjnych. Znalazła ona zastosowanie między innymi w radiotelegrafii , generacji drgań, wzmacniania sygnałów a potem zbudowano pierwsze radio, później nastąpił gwałtowny rozwój elektroniki w pełnym słowa znaczeniu. Wraz z rozszerzeniem dziedzin zastosowania lamp elektronowych pracowano nad poznaniem i objaśnieniem podstaw fizycznych ich działania. Badano przede wszystkim nad rządzącymi prawami fizyki przepływem elektronów w próżni i gazie. Lampa elekronowa to przede wszystkim takie urządzenie w którym oprócz części metalowych następuje przepływ elektronów. Ale należą do tych urządzeń również diody półprzewodnikowe, tranzystory, układy scalone oparte na tranzystorach, diody itd. W lampach elektronowych na prąd a wiec i ruch elektronów można oddziaływać na przykładzie poprzez :
Pole elektryczne Lampy wzmacniające i inne
Pole magnetyczne cewki odchylające w kineskopach
Promienie świetlne Fotonówki (fotokomórki)
Promieniowanie kosmiczne Liczniki Geigera-Müllera
Lampy elektronowe cd.
Przykładowalampa typu ECC82dane techn. W lampach próżniowych panuje próznia i przepływ ładunków odbywa się za pomocą elektronów. Ponieważ masa elektronów praktycznie równa jest zeru, sterowanie natężeniem prądu elektronów jest pozbawione bezwładności. Wadą lamp są trudności uzyskiwania dużych natężeń prądu, które zależą od wydaności emisyjnej katod. Duże wartości natężeń uzyskuje sie w lampach jonowych (jonizacyjnych). Lampy te po wypompowaniu powietrza napełnia się gazem lub oparami rtęci. Jeżeli w tej lampie pod wpływem napięcia zaczną płynąć elektrony to po przekroczeniu pewnej prędkości wskutek jonizacji gazu, natężenie prądu wzrasta gwałtownie. Zatem w lampach wypełnionych gazem nie da się regulować płynnie przewodzenia. Lampa ta może wykonywac funkcje np. przełącznika, coś w rodzaju tyrystora. Tak jak w tyrystorze, ma dwa stany, przewodzenia-zapłonu i nieprzewodzenia. Klasycznym przykładem lampy jonowej jest zwykła świetlówka. Poza tym lampy jonowe były kiedyś stosowane jako diody prostownicze. Nośnikami ładunków w próżniowej lampie elektronowej są zatem elektrony lub jony w lampach jonowych. Elektron jest najmniejszą cząstką elektryczności, jego ładunekwynosi: e = 1,591 • 10-19 CulPrzyjmuje się że elektron w sensie chemicznym nie ma masy ale w polu elektrycznym zachowuje się tak jakby miał masę. Na elektron znajdujący się w polu elektrycznym działają siły powodujące jego ruch. Wartośc siły F działającej na elektron o ładunku e znajdujący się w polu elektrycznym o natężeniu K wynosi: F = e • KW polu jednorodnym elektron porusza się jak ciało swobodnie spadające, natomiast w próżni po przejściu różnicy potencjałów w Voltach, prędkość Vwyniesie: Prędkość elektronów zazwyczaj często podajemy w voltach, tzw. elektronovolty. Prędkość 100 eV oznacza taką prędkość jaką osiągnie elektron po przejściu ze stanu spoczynku różnicy potencjałów wynoszącej 100 V. Ponieważ poruszający się elektron przedstawia sobą prąd elektryczny, jego ruch musi podlegać działaniu pola magnetycznego. Kierunek siły działającej na elektron poruszający się w polu magnetycznym jest prostopadły do kierunku ruchu elektronu oraz do kierunku sił pola magnetycznego. Elektron w polu magnetycznym zmienia tylko kierunek, nie zmienia prędkości. Poruszający się elektron postopadle do linii sił pola magnetycznego zmienia kierunek którego promieńwyniesie : gdzie : U - prędkośc elektronu w Voltach B - indukcja pola magnetycznego w gausach Okres obiegu elektronu: Okres ten nie zależy od prędkości z jaką elektron wchodzi w pole magnetyczne.
Termoemisja
Elektrony związane są z atomem, zawsze krąża dookoła dodatnio naładowanego jądra. Mają więc przeciwny ujemny ładunek. Niektóre elektrony na orbicie zewnętrznej mogą opuścić atom i stać się tzw. atomami swobodnymi, mają one chaotyczny nieuporządkowany ruch. Ale im wyższa jest temperatura atomów tym ruch elektronów jest coraz szybszy. W pewnych wysokich temperaturach ruchy elektronów bąda tak szybkie że niektóre z nich przezwyciężą siły przyciągania atomów i wylecą poza przestrzeń przewodnika w otaczającą ich próżnię. Materiały przewodzące prąd zawsze charekteryzują się dużą ilością elektronów swobodnych. Zjawisko wylatywania elektronów pod wpływem temperatury znalazło zastosowanie w lampach elektronowych, oprócz zwykłych lamp elektronowych z gorącymi katodami mamy również lampy:
- w których elekrony wyciągane są pod wpływem silnego pola elektrycznego
- emisja wtórna, elektrony wylatują pod wpływem bombardowania przez inne elektrony
- fotoemisja, elektrony emitowane są pod wpływem padającego światła.
Źródłem emisji elektronów w lampie jest katoda, emituje ona elektrony pod wpływem doprowadzonej temperatury. Pierwszą katodą była katoda wolframowa, jednak pobiera ona bardzo duży prąd potrzebny do żarzenia. Ma małą sprawnośc na jednostkę prądu emisyjnego i nie jest już stosowana. Obecnie zwiększenie wydajności katod osiągnieto dzięki zastosowaniu metali toru i baru. Charakteryzują się one małą wartością pracy wyjścia elektronów. Stosowane były one w katodach tzw. bezpośrednio żarzonych jak katody wolframowe torowane. Natomiast zastosowanie tlenków toru i baru umożliwiło konstrukcje katod żarzonych pośrednio. W katodach żarzonych bezpośrednio stosuje się drut wolframowy, zawierający około 1,5% toru w postaci ThO2. Podczas formowania katody wolframowej w próżni, w temperaturze 2800ºK, tlen chemicznie zostaje usunięty i zostaje czysty Th, który w temperaturze 2100ºK dyfunduje i tworzy na powierzchni cienką warstwę. Temperatura pracy katody wolframowej torowanej, żarzonej bezpośrednio wynosi około 1900ºK.
Rodzaje katod
Katoda żarzona bezpośrednio Katoda żarzona pośrednio1. Warstwa emisyjna 2. Rurka niklowa 3. Grzejnik
W katodach żarzonych pośrednio, grzejniki izolowane są od katod np. poprzez izolator ceramiczny. Natomiast w żarzonych bezpośrednio warstwa emitująca znajduje się bezpośrednio na włóknie grzejnika. W katodach żarzonych pośrednio stosuje się pasty emisyjne złożone głównie z tlenków baru, tlenków strontu z dodatkami niklu, magnezu, glinu, krzemu, wolframu. Dodatki te redukują BaO na Ba, wskutek tego uzyskuje się dobre własności emisyjne. Temperatura grzejnika w katodach żarzonych pośrednio wynosi około 1000 ºC, natomiast sama katoda ze względu na na izolator ceramiczny około 720 ºC. Ze względu na temperaturę pracy katody, każda lampa ma przewidziane właściwe jej napięcie żarzenia. Aby emisja była stabilna, napięcie powinno mieć stałą wartość lub zmieniać się w granicach dopuszczalnych przez producenta. Podwyższając napięcie żarzenia podwyższamy temperaturę katody, pasta emisyjna wyparowuje, osiada na innych elementach co można nawet zobaczyć na szyjkach kineskopów, w pobliżu katod szkło przybiera wewnątrz kolor srebrny lub czarny w zależności od prózni w kineskopie. W sumie powoduje to spadek emisji, pogorszenie prózni, zmniejsza się nachylenie charakterystyki przemiany, wzrasta prąd anodowy, następuje zamiana emisji elektronów na emisję jonową. Jony, jako ze mają większą masę, nie podlegają prawie odchylaniu cewek kineskopowych, powodują wypalanie luminoforu na środku ekranu. Przy niższym napięciu zasilania katod a więc niższej temperaturze katod zachodzi zjawisko wzrostu oporności warstwy katod. Powoduje to wypalanie niektórych punktów w katodach. Z tego względu w niektórych lampach napięcie zasilające kineskop ( anodowe najczęściej ) doprowadzane jest dopiero o nagrzaniu się katod np. w niektórych telewizorach po około 7 sekundach. To znakomity sposób na przedłuzenie żywotności lamp elektronowych, bo tak naprawdę nowoczesne lampy o szybkich katodach nie istnieją.