Номер 4, страница 120, часть 2 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

4. Что называют вакуумным диодом? Как он устроен и как работает?

Решение

Что называют вакуумным диодом?

Вакуумный диод — это двухэлектродный электронный прибор, работа которого основана на явлении термоэлектронной эмиссии в вакууме. Он представляет собой простейшую электронную лампу, обладающую односторонней проводимостью, то есть способностью пропускать электрический ток только в одном направлении. Именно это свойство определило его основное применение — выпрямление переменного тока.

Как он устроен?

Конструктивно вакуумный диод состоит из следующих основных частей:

1. Стеклянный или металлический баллон, из которого откачан воздух до состояния глубокого вакуума. Вакуум необходим для того, чтобы электроны, летящие от катода к аноду, не сталкивались с молекулами газов и не теряли свою энергию.

2. Два электрода: катод и анод, расположенные внутри баллона.

• Катод (К) — отрицательный электрод, являющийся источником электронов. Он изготавливается из металла или покрывается специальным веществом (например, оксидами щелочноземельных металлов), которое при нагреве легко испускает электроны. Нагрев катода осуществляется с помощью нити накала. Различают катоды прямого накала (когда нить накала сама является катодом) и косвенного накала (когда нить накала подогревает отдельный электрод-катод, который имеет форму цилиндра).

• Анод (А) — положительный электрод, предназначенный для сбора электронов. Обычно он имеет форму металлического цилиндра или пластины, окружающего катод, чтобы эффективно улавливать испускаемые электроны.

3. Выводы электродов, которые герметично впаяны в основание (цоколь) лампы и служат для подключения диода к внешней электрической цепи.

Как он работает?

Принцип действия вакуумного диода основан на явлении термоэлектронной эмиссии и движении электронов в электрическом поле.

1. Термоэлектронная эмиссия. При подаче напряжения на нить накала она раскаляется и нагревает катод. При достижении достаточной температуры (сотни градусов Цельсия) электроны на поверхности катода приобретают энергию, достаточную для преодоления сил, удерживающих их в металле, и вылетают в вакуумное пространство. Вокруг катода образуется облако свободных электронов, называемое пространственным зарядом.

2. Протекание тока (прямое включение). Если к аноду приложить положительное напряжение относительно катода (подключить анод к «+», а катод к «–» источника питания), то между анодом и катодом возникнет электрическое поле. Это поле будет притягивать к аноду отрицательно заряженные электроны из электронного облака. Электроны устремляются к аноду, и в цепи лампы возникает электрический ток, называемый анодным током. Величина этого тока зависит от анодного напряжения и температуры катода. При увеличении анодного напряжения ток растет до тех пор, пока все испускаемые катодом электроны не будут достигать анода. Дальнейшее увеличение напряжения не приводит к росту тока — наступает режим насыщения. Ток насыщения определяется температурой катода и его эмиссионной способностью.

3. Отсутствие тока (обратное включение). Если к аноду приложить отрицательное напряжение относительно катода (подключить анод к «–», а катод к «+»), то создаваемое электрическое поле будет отталкивать электроны обратно к катоду. Электроны не могут достичь анода, и анодный ток в цепи практически равен нулю.

Таким образом, вакуумный диод пропускает ток только в одном направлении — когда анод положителен по отношению к катоду. Это свойство односторонней проводимости позволяет использовать его для выпрямления переменного тока, то есть преобразования его в пульсирующий постоянный.

Ответ:

Вакуумный диод — это двухэлектродная электронная лампа, состоящая из катода и анода, помещенных в вакуумный баллон. Его работа основана на явлении термоэлектронной эмиссии: нагретый катод испускает электроны, которые при приложении положительного напряжения к аноду создают электрический ток. Если же анод имеет отрицательный потенциал относительно катода, ток не течет. Это свойство односторонней проводимости позволяет использовать диод для выпрямления переменного тока.