В вакуумном диоде два электрода: катод, с которого «испаряются» электроны (его специально подогревают), и анод, на который попадают вылетевшие с катода электроны. Объясните, почему диод можно использовать как выпрямитель. На рисунке показано, как при постоянном напряжении между анодом и катодом ток в цепи анода зависит от температуры катода. Объясните качественно эту зависимость.
▶Посмотреть решениеСкрыть решение
Почему диод — выпрямитель. Катод специально подогревают, с него вылетают электроны (термоэлектронная эмиссия). Холодный анод электронов не испускает. Если анод положителен относительно катода, вылетевшие электроны летят на анод — ток есть. Если полярность обратная, электроны, едва покинув катод, втягиваются обратно: через вакуумный промежуток ток не идёт. В переменной сети диод открыт только в один полупериод — это и есть выпрямление.
Зависимость \(I(T)\) при фиксированном напряжении. Число электронов, которые катод способен испустить в секунду, растёт с температурой очень круто — по формуле Ричардсона
\[ j_{\text{эм}}\propto T^2\exp\bigl(-A/kT\bigr), \]где \(A\) — работа выхода. При низкой температуре эмиссия мала, все вылетевшие электроны уносит поле на анод: ток равен эмиссионному и растёт вместе с \(T\). На графике это крутой начальный участок.
При высокой температуре катод «дымит» так сильно, что между электродами скапливается облако электронов — пространственный заряд. Его поле направлено к катоду и запирает эмиссию: вылетает ровно столько, сколько позволяет закон Чайлда–Ленгмюра (задача 8.1.17). Этот ток определяется напряжением и геометрией, но не температурой. На графике — полка насыщения.