Задача, которую мы поставили перед собой в цикле «Ячейка ОДР за учебой», заключается в том, чтобы дать материал для теоретической и практической работы ячейки ОДР, приступившей к систематическим занятиям. План этих занятий изложен в «Сборнике программ для радиокружков», выпущенном недавно Всесоюзным обществом друзей радио. До тех пор, пока эти программы не были разработаны и опубликованы, конечно, не представлялось возможным располагать материал «Ячейки за учебой» в полном согласии с этими программами. Поэтому первый цикл «Ячейки за учебой», печатавшийся в прошлом году, хотя в общих чертах и согласуется с выпущенной программой, но в некоторых деталях с ними расходится. Теперь же, после выпуска программ, мы имеем возможность второй цикл «Ячейки за учебой» построить так, чтобы он в точности соответствовал второй части программы занятий нормального радиотехнического кружка 1).
Второй цикл «Ячейки за учебой» будет посвящен электронной лампе и ее применениям и будет охватывать занятия 15—24 программы нормального радиотехнического кружка. Для того, чтобы не вносить путаницы, мы будем придерживаться той нумерации занятий, которая применена в «Сборнике программ», и значит начнем второй наш цикл с 15-го занятия. При этом материал цикла будет распределен следующим образом. Первые два номера каждого месяца будут содержать материал для теоретических занятий и третий номер — практическую работу к соответствующему занятию. Таким образом, в течение месяца будет появляться полностью весь материал, необходимый для одного занятия, и в течение года мы успеем изложить вторую часть программы, за исключением последних трех занятий (25-го — 28-го).
Всякий проводник вообще и в частности всякий металл обладает способностью проводить электричество потому, что в нем находится большое число «свободных» электронов, т. е. таких электронов, которые очень слабо связаны с атомами материи проводника и поэтому могут свободно передвигаться внутри его под действием электрического поля. Однако эта «свобода» электронов очень относительна. Электрон в металле свободен примерно так же, как птица в клетке. Он имеет возможность свободно передвигаться внутри проводника, но не может выйти за его пределы в окружающую, непроводящую электричества среду. Этому препятствуют те электрические силы, которые существуют внутри металла и действуют на находящиеся в металле электроны.
Для того чтобы вылететь за пределы проводника, электрон должен преодолеть действие этих сил, т. е. совершить какую-то работу, подобно тому, как мы совершаем работу, когда подымаем тяжелое тело, преодолевая силу тяжести. Работа, которую должен совершить электрон, вылезающий за пределы проводника, называется «работой вылета». Величина «работы вылета» для различных металлов различна. Например, для натрия она сравнительно мала, а для тугоплавких металлов — вольфрама, платины и т. д. — она гораздо выше. Но независимо от величины «работы вылета», всякий электрон, покидающий пределы проводника, должен совершить определенную работу. Очевидно, для того, чтобы совершить работу, электрон должен обладать некоторым запасом энергии, И чем больше будет запас его энергии, тем большую работу он сможет совершить.
Какова же та энергия, которой обладают «свободные» электроны в металле?
«Свободные» электроны в металле принято сравнивать с газом, так как «электронный газ», содержащийся в металле, многими своими свойствами напоминает обычный газ. Сходство между обычным газом и «электронным газом» заключается в том, что частицы как первого (молекулы газа), так и второго (электроны) находятся в постоянном движении (так называемое «тепловое движение» частиц). Движение это происходит по всевозможным направлениям и с различными скоростями. Как и всякое движущееся тело, движущиеся электрон или молекула газа обладают некоторым запасом энергии и значит могут совершить некоторую работу. Работа эта будет тем больше, чем больше запас энергии частицы, т. е. чем быстрее она движется. Другими словами, запас энергии электрона определяется скоростью его движения.
Скорость движения электронов, в свою очередь, зависит от вполне определенных причин. «Наблюдая» скорость движения молекул газа или отдельных электронов, удалось установить, что различные частицы обладают различными скоростями, но что средняя скорость этих частиц есть величина вполне определенная, зависящая только от температуры газа. Таким образом, если газ обладает определенной температурой, то частицы его обладают хотя и различными скоростями, но в большинстве случаев лежащими близко в этой средней скорости. Подавляющее большинство частиц будет обладать скоростями, очень близкими к средней скорости, и только немногие из них будут иметь скорость, заметно отличающуюся от средней. При этом число частиц, обладающих отличной от средней скоростью, будет тем меньше, чем больше это различие в скоростях. Поэтому для простоты мы можем считать, что все частицы газа обладают одной и той же скоростью, как раз равной средней скорости. И значит скорость частиц в газе будет тем больше, чем выше температура газа.
То же самое мы можем сказать и об «электронном газе». Чем выше температура того проводника, в котором этот «газ» заключен, тем больше будут скорости «свободных» электронов внутри газа. Теперь мы легко можем установить, при каких условиях электроны могут вылетать за пределы проводника. Если средняя скорость электронов будет такова, что при этой скорости электрон будет обладать меньшей энергией, чем та, которую нужно затратить, чтобы совершить «работу вылета», то очевидно, он не сможет выйти за пределы проводника. Если же скорость электронов будет настолько велика, что почти все электроны будут обладать энергией большей, чем та, которая соответствует «работе вылета», то они смогут «вырваться» за пределы проводника в окружающее пространство.
Однако для этого необходимо соблюсти еще одно условие. Если вокруг проводника находится газ с достаточно сильным давлением, то присутствие газа будет препятствовать вылету электронов из проводника. Благодаря присутствию газа, «работа вылета» как бы увеличится, и электроны все же не смогут вырваться за пределы проводника.
Таким образом, для того, чтобы освободить электроны, находящиеся в металле и дать им возможность выйти за пределы проводника, нужно, прежде всего, нагреть этот проводник настолько, чтобы скорости электронов, соответствующие этой температуре, были бы достаточно велики и электроны обладали бы энергией, превышающей «работу вылета».
Кроме этого, необходимо удалить газ, окружающий проводник, т. е. поместить накаленный проводник в пустоту, или, как говорят иначе, в «вакуум».
Из всего сказанного ясно, что количество электронов, которые могут вырваться за пределы проводника, будет тем больше, чем выше температура проводника, так как при этом тем больше будет электронов, обладающих большими скоростями. Таким образом между температурой металла и количеством электронов, которые могут из этого металла вырваться наружу, существует вполне определенная зависимость. Для различных металлов эта зависимость будет различна, так как чем больше «работа вылета», тем сильнее надо накалить металл, чтобы получить от него то же самое количество электронов. Однако зависимость эта для различных металлов будет выражаться одной и той же формулой, так называемой формулой Ричардсона 2). Эта формула показывает, что количество электронов, которые могут вырваться из проводника, вначале, при низких температурах, очень мало, но начиная с некоторой температуры очень быстро растет при ее повышении. Для тугоплавких металлов, например вольфрама, заметное выделение электронов начинается только при температуре свыше 1 000°; при температуре около 2 000° количество электронов, выделяемых вольфрамом, уже очень велико. С одного квадратного миллиметра поверхности вольфрама при этой температуре может выделиться уже такое количество электронов в секунду, которое соответствует электрическому току силой в несколько миллиампер.
Для работы электронной лампы необходимо получить достаточно большое количество электронов, которые могли бы выделиться из проводника в окружающее пространство. Теперь мы уже знаем, как можно это сделать. Чтобы достигнуть этой цели, нужно металлический проводник поместить в пустоту (в вакуум) и накалить до высокой температуры, примерно до оранжевого или даже белого каления. Тогда проводник начнет выделять электроны, которые будут попадать из него в окружающее пространство. Чем выше будет температура проводника, тем большее число электронов он будет выделять.
Таким проводником, который выделяет в окружающее пространство электроны, в электронной лампе служит нить накала.
Она представляет собой тонкую металлическую нить, помещенную внутри баллона, из которого выкачан воздух, и прикрепленную к двум ножкам, концы которых выведены наружу. Для того, чтобы накалить эту нить, пользуются тем обстоятельством, что электрический ток, проходя по проводнику, этот проводник нагревает. Пропуская через нить накала достаточно сильный ток, мы можем довести ее до какой угодно высокой температуры. И если мы хотим, чтобы нить накала давала определенное количество электронов, то нужно довести ее до определенной температуры. Однако для этого необходим достаточно сильный ток, и, следовательно, на это затрачивается довольно много энергии. Источником этой энергии в большинстве случаев служит гальваническая или аккумуляторная батарея, и, следовательно, на накал нити расходуется заряд этой батареи.
Чем меньше будет ток, расходуемый на накал нити, тем дольше будет служить батарея, тем экономичнее будет электронная лампа. Но каким же образом можно уменьшить силу тока, необходимую для накала нити, не уменьшая вместе с тем количество электронов, которое нитью может быть выделено? Очевидно, что для этого есть только один путь — это уменьшение «работы вылета» электронов. По этому пути техника и пошла. Оказалось, что если к вольфраму нити прибавить некоторое очень небольшое количество металла тория, то такая торированная нить обладает нужным нам свойством. Благодаря присутствию тория на поверхности нити, «работа вылета» сильно уменьшается, и значит то же количество электронов может быть выделено нитью, при гораздо более низкой температуре. Торированная нить выделяет с одного квадратного миллиметра поверхности при температуре в 1 000° такое же примерно количество электронов, как и чистая вольфрамовая нить при температуре только свыше 2 000°.
Еще больше в этом направлении дают примеси окисей легких металлов (окиси бария или окиси кальция) к вольфраму нити. В таких «оксидированных» нитях то же количество электронов выделяется при еще более низкой температуре, чем в торированных нитях.
Таким образом лампы с торированными и оксидированными нитями требуют для накала нити сравнительно малых токов (так как нить работает при низкой температуре) и поэтому являются экономичными лампами или, как их называют иначе, «темными лампами», так как вследствие низкой температуры нити этих ламп при работе почти не светятся.
Экономичность «темных» ламп является огромным их преимуществом перед вольфрамовой («светлой») лампой. Но при работе с этими лампами необходимо иметь в виду следующее. Торий или окиси легких металлов прочно держатся на поверхности только в том случае, когда температура нити не слишком высока. Если нить перекалить, то примеси улетучиваются с ее поверхности и она теряет свои свойства. Поэтому важнейшим условием нормальной работы «темных» ламп является нормальный их накал. При перекале эти лампы очень скоро приходят в негодность.
Для того, чтобы заставить электроны, выделяемые нитью, выполнять свое назначение, нужно заставить их всех двигаться не как попало, а по какому-то определенному пути, т. е. нужно из этих электронов создать электронный поток. Легко сообразить, как можно это сделать. Если мы вблизи нити поместим другой металлический электрод, так называемый анод, и вывод от этого электрода сделаем наружу, то между нитью и анодом можно включить какой-то источник электрического напряжения, так называемую анодную батарею. (Рис. 1.) Мы получим так называемую «двухэлектродную лампу», в которой одним электродом будет служить нить накала, а другим анод. Если батарея будет присоединена так, что положительный ее полюс будет соединен с анодом, а отрицательный с нитью, то между анодом и нитью мы получим электрическое поле, направленное от анода к нити. Электроны, вылетающие из нити, будут попадать в это поле, и так как они представляют собой частицы отрицательного электричества, то они будут двигаться в направлении, противоположном полю, т. е. от нити к аноду. Мы получим таким образом упорядоченное движение электронов от нити к аноду, т. е. электрический ток. Так как направлением движения электрического тока принято считать направление движения «положительных зарядов», то очевидно, что внутри лампы мы получим электрический ток, направленный от анода к нити. Этот ток легко может быть обнаружен при помощи измерительного прибора, включенного в анодную цепь так, как указано на рис. 1. Этот ток принято называть током эмиссии нити.
Если бы мы включили батарею в обратном направлении, т. е. положительным полюсом к нити, отрицательным к аноду, то поле между нитью и анодом было бы направлено от нити к аноду. Так как электроны должны двигаться против поля, то поле, создаваемое батареей, будет заставлять электроны, вылетевшие из нити, снова приближаться к ней. Электроны никак не смогут попасть на анод, так как этому будет препятствовать электрическое поле. Следовательно, когда батарея включена положительным полюсом к нити и отрицательным к аноду, то тока в анодной цепи мы не обнаружим.
Если электрическое поле между нитью и анодом будет настолько сильно, что все электроны, выделяемые нитью, будут захватываться этим полем и перелетать на анод, то легко сообразить, какова будет сила тока, протекающего в анодной цепи. Ясно, что она будет равна как раз тому количеству электронов, которое при данной температуре выделяет нить накала в секунду. А так как это количество электронов будет тем больше, чем выше температура нити, то, очевидно, сила тока будет возрастать с увеличением накала нити. Измеряя силу тока при разных температурах, мы как раз получим ту зависимость, которая выражается формулой Ричардсона. Зависимость эта имеет вид, изображенный на рис. 2.
Эта картина, как мы уже сказали, получится только в том случае, если поле между анодом и нитью достаточно сильно, т. е. напряжение анодной батареи достаточно велико. В случае же если напряжение батареи мало, мы получим иную, более сложную картину. К рассмотрению ее мы перейдем в следующий раз.
Для демонстрации явлений, описанных выше, может служить обычная трехэлектродная усилительная лампа, (например, лампа «микро» и «Р—5»), в которой сетка соединена накоротко с анодом (рис. 3) и которая таким образом превращена в двухэлектродную.
Включив в анодную цепь измерительный прибор, легко показать, что при включении анодной батареи по рис. 3 в анодной цепи будет течь ток, а при обратном включении батареи тока не будет. Если напряжение батареи достаточно велико (около 80 вольт), то легко также продемонстрировать зависимость между накалом нити и током эмиссии и получить хотя бы приблизительную кривую Ричардсона (приблизительно потому, что температуру нити нельзя определить точно, примерно, можно, считать, что температура нити пропорциональна квадрату силы тока накала).
1) См. «Сборник программ для радиокружков» Общества друзей радио СССР. Издательство НКПиТ, Москва 1929, цена 50 коп.
(стр. 16.)
2) Формула Ричардсона имеет такой вид
в этой формуле i — сила тока, создаваемая выделяемыми телом электронами, Т — температура тела, а — величина, зависящая от материала тела, и b — «работа вылета», также зависящая от материала.
(стр. 17.)
*)
Встречавшиеся мне варианты формулы Ричардсона содержат не √T, а T2. Скорее всего в журнале опечатка, и формула должна выглядеть так:
(прим. составителя) (стр. 17.)
i = a √T e
—
b
; *)
T
i = a T2 e
—
b
;
T