Помоги проекту - поделись книгой:
Правда, в растворах и газах движение электричества происходит несколько по-иному. Там атомы, а следовательно и ионы, не связаны прочно друг с другом, как в твердых телах. И поэтому при воздействии электродвижущей силы ионы не стоят на месте, а также начинают двигаться, и положительные ионы действительно перемещаются от плюса к минусу.
ИЗ ТЮРЬМЫ НА СВОБОДУ
Почему свободные электроны, беспорядочно бродя по металлу — проводнику, все же не покидают его? Что удерживает их в границах металла?
Наука ответила на этот вопрос: электроны удерживаются окружающими их ядрами. И для того, чтобы электрон мог вырваться из металла на свободу, надо сообщить ему такую скорость, чтобы он с ее помощью преодолел силу притяжения ядер и выскочил за поверхностный слой металла.
Как же придать электрону такую скорость?
Во-первых, повышением температуры металла. Нагревая какой-либо проводник, мы увеличиваем скорость хаотического движения электронов. Ведь нагретое тело тем и отличается от холодного, что скорость движения его частиц (молекул, атомов, электронов) больше. При очень высокой температуре отдельные электроны начинают двигаться так быстро, что им удается преодолеть притяжение и вылететь из проводника во внешнее пространство. Этот процесс излучения электронов накаленным металлом называют термоэлектронной эмиссией.
Во-вторых, электрон можно вырвать из проводника внешними ударами других быстро летящих электронов или ионов. Подобно камню, вызывающему при падении в воду брызги, быстро летящий электрон или ион при ударе о металлическую поверхность также может вызвать «разбрызгивание» электронов. Этот вид эмиссии называют вторичной эмиссией.
И, наконец, в-третьих, мы можем освободить электрон, освещая поверхность металла. Падающие на металл лучи отдают электронам свою энергию, отчего скорость их увеличивается и они вылетают из металла. Такой вид эмиссии называют фотоэмиссией, а вылетающие электроны — фотоэлектронами.
Если поверхность металла покрыть торием, цезием, — окисью бария или стронция, то электроны значительно легче преодолевают поверхностный слой металла.
Итак, с помощью одного из этих способов электрон покинул металл и вырвался на свободу, то есть в пустоту, окруженную стеклянной оболочкой. Из лампы стараются Как можно тщательнее удалить воздух, но создать в ней абсолютный вакуум, то есть пустоту, все же не представляется возможным. Какая-то малая часть воздуха в лампе остается. Хорошим вакуумом считается, если из лампы удалят 999 999 999/1 000 000 000 частей воздуха и в ней останется только одна миллиардная часть его. Однако оказывается, что в каждом кубическом сантиметре такой пустоты все еще осталось по 25 миллиардов молекул воздуха, в 12 с половиной раз больше, чем людей на земном шаре. Какая ж это свобода для электрона? Ведь ему как будто бы и двинуться некуда при таком «перенаселении». Но это не так. Ведь молекулы имеют крошечные размеры. Если бы все предметы увеличить в миллион раз, то чайное блюдечко представлялось бы озером диаметром в 140 километров, рост людей составлял бы 1 700 километров, один шаг такого человека равнялся бы расстоянию от Ленинграда до Москвы, а молекула выросла бы до величины макового зернышка диаметром меньше 1 миллиметра.
Для такой молекулы, даже при нормальном атмосферном давлении, свободы достаточно, так Как между отдельными молекулами остается свободное пространство, в 150 раз превосходящее их диаметр. А при вакууме, какой мы можем создать в баллоне лампы, свободное пространство увеличивается в десятки тысяч раз, и опасность столкновения молекул друг с другом почти исключена. Электрон же в миллион раз меньше молекулы. Поэтому возможность столкновения электронов с молекулами воздуха внутри лампы еще меньше, чем молекул между собой. Значит, мы вправе сказать, что электрон, вырвавшись из металла, действительно оказывается на свободе.
РАЗГАДКА «ЭФФЕКТА ЭДИСОНА»
Вот теперь, зная, что такое электроны и каково их поведение в различных условиях, мы можем понять и уяснить себе то, чего не мог в свое время понять Эдисон.
В чем же была тайна эдисоновского опыта?
Когда Эдисон поместил в баллон лампы металлическую пластинку и присоединил ее к плюсу батареи, нагревавшей нить, то этим самым он подал на нее некоторое положительное напряжение, и вылетающие электроны стали притягиваться к пластинке — в цепи пластинки потек ток. Когда же Эдисон включил в цепь пластинки еще добавочную батарею, усилившийся положительный заряд начал сильнее притягивать электроны, число их увеличивалось — ток становился сильнее. А как только добавочная батарея перевертывалась, то есть на пластинку подавался не положительный, а отрицательный заряд, то электроны от нее начинали отталкиваться и ток через измерительный прибор не шел.
Вот в чем заключался секрет «эдисоновского эффекта».
«ПЕРВЫЕ ШАГИ» ЛАМПЫ
Впервые «эффект Эдисона» был практически использован в 1904 году английским ученым Флемингом. Для приема сигналов беспроволочного телеграфа ему необходим был детектор — прибор с односторонним пропусканием электрического тока. А так как «эффектная» лампа, которую построил Эдисон, пропускала ток только в одном направлении, то Флеминг и приспособил ее для своего аппарата.
По аналогии с клапанами, пропускающими жидкость или газы только в одном направлении, Флеминг назвал свой прибор электрическим вентилем, или клапаном.
Подобное устройство не устарело и поныне. Многие современные лампы, в сущности, ничем не отличаются от устройства Эдисона или клапанов Флеминга. Изменились только названия, а принцип остался прежний.
Нить, излучающую электроны, теперь называют катодом. Пластинку, притягивающую электроны, — анодом. Лампу с катодом и анодом, то есть с двумя электродами, называют двухэлектродной лампой, или, сокращенно, диодом. Основное применение двухэлектродной лампы — это превращение переменного электрического тока в постоянный, или, как говорят, выпрямление переменного тока. Такая выпрямительная лампа имеет еще специальное название — кенотрон. Кроме выпрямления переменного тока, двухэлектродная лампа используется еще для детектирования радиосигналов, как это сделал Флеминг, то есть, в сущности, тоже для выпрямления переменного тока, только высокой частоты.
Два года спустя американский ученый Ли де-Форест поместил между катодом и анодом новый электрод в виде решетки или сетки. Третий электрод так сейчас и называется — сетка, а лампа с тремя электродами — трехэлектродной лампой, или триодом.
С другими электродами сетка внутри лампы не соединяется, а провод от нее выводится из колбы наружу. Если этот сеточный вывод соединить с катодом, то сетка будет иметь такой же заряд, что и катод, и почти совершенно не будет влиять на поток электронов, летящих к аноду. Основная их масса свободно проскочит через отверстия в сетке, так как соотношение размеров электронов с отверстиями в сетке примерно такое же, как размеры человека с расстояниями между небесными телами.
Но если между выводом сетки и катода включить батарею, то сетка зарядится, в зависимости от направления включения батареи, положительно или отрицательно. Получив заряд того или иного знака, сетка уже энергично будет вмешиваться в происходящие в лампе электронные процессы.
Введение в двухэлектродную лампу третьего электрода — сетки — наделило электронную лампу замечательной способностью усиливать электрические колебания. Благодаря этому трехэлектродная лампа получила широчайшее распространение. Дальнейшие исследования показали, что трехэлектродная лампа обладает еще одним, исключительно важным свойством — способностью преобразовывать подводимую от батарей мощность постоянного тока в энергию переменного тока желаемой частоты. Электронная лампа стала использоваться в качестве генератора электрических колебаний и быстро вытеснила все другие типы генераторов. Ничто не могло превзойти ее изо простоте, гибкости, экономичности, стабильности и устойчивости работы.
Эти свойства трехэлектродной электронной лампы произвели целую революцию в радиотехнике. Лампа сделала радио «говорящим, поющим и играющим», то есть разрешила проблему радиотелефонии. Она намного подняла чувствительность радиоприемника, увеличила дальность приема и позволила осуществить громкоговорящий прием.
С появлением электронной лампы радио сразу же выдвинулось на первое место среди всех видов связи.
Но в свою очередь потребности радиотехники вызвали бурный прогресс и развитие самой электронной лампы. Вовнутрь лампы стали вводить новые сетки, в результате чего появилась целая серия многоэлектродных ламп.
В трехэлектродную лампу ввели вторую сетку, и получилась четырехэлектродная лампа — тетрод. Затем появляется лампа с тремя сетками — пентод. Но и на этом ламповая техника не остановилась. Лаборатории продолжают усиленно работать над дальнейшим развитием лампы: появились лампы с четырьмя сетками — гексод, с пятью сетками — пентагрид — и даже с шестью — октод.
Введение в лампу нескольких сеток хотя и усложняет конструкцию лампы и увеличивает ее стоимость, но зато оно в значительной степени повышает ее качества. Преимущества новых ламп были так велики, что трехэлектродные лампы были вытеснены не только из приемных и усилительных, но и из генераторных установок.
Промышленность выпустила целый ряд типов комбинированных ламп. В одном баллоне такой лампы были заключены фактически две, а то и три отдельные лампы. В качестве примера таких ламп можно привести распространенные комбинации: два диода и триод (ДДТ), два диода и пентод (ДДП), два триода и т. п.
А одна иностранная фирма выпустила в виде одной лампы целые трехламповые усилители со всеми необходимыми деталями схемы (сопротивлениями, конденсаторами и т. п.).
Процесс усовершенствования ламп происходил не только в отношении их электрических показателей, но и в отношении их конструкций. Первые типы электронных ламп мало отличались от обычных ламп накаливания. Они имели примерно такую же форму и почти так же ярко светились. Но в дальнейшем их внешний вид стал постепенно изменяться. Лампа приобрела металлический, зеркальный блеск, перестала светиться, изменила форму и размеры. В некоторых типах электронных ламп стеклянный баллон был заменен металлическим (стальным). На свою «бабушку» — лампу накаливания — подобные лампы с металлическим баллоном были уже совершенно не похожи.
Появились кроме того, чрезвычайно миниатюрные лампы. Некоторые из них напоминали по форме жолудь, и их стали называть лампами типа «жолудь». Другие были величиной с полпальца; к ним пристало название «пальчиковые».
Но одновременно с этим размеры некоторых ламп продолжали увеличиваться. Для усиления колебаний в передатчиках потребовались большие, мощные лампы. Конструкторы построили огромные, чуть ли не в человеческий рост, лампы мощностью в сотни киловатт. Эти лампы выделяют при работе такое количество тепла, что, если бы их не охлаждали проточной водой, они бы расплавились. Огромное количество тепла, которое уносит охлаждающая вода, стараются использовать на дело. Так, например, некоторые мощные радиостанции употребляют эту воду в зимнее время для отопления станционных зданий.
ЛАМПА И ГАЗ
Если верить ученому Торичелли, который утверждал, что «природа не любит пустоты», то придется заключить, что, очевидно, электронная лампа «расходится во вкусах» с природой. Она «обожает» пустоту и не может без нее жить. Лампа нормально работает лишь в том случае, если давление в ней составляет примерно одну миллиардную часть атмосферного. При большем давлении работа лампы нарушается, срок службы ее чрезвычайно сокращается, а при значительном количестве воздуха нить ее моментально перегорит. Таким образом, получение нужного вакуума (пустоты) играет чрезвычайно важную роль в жизни и работе лампы. Но получить такую «громадную пустоту» невозможно даже при помощи самых лучших насосов. Поэтому, кроме откачки воздуха, в лампу вводятся особые поглотители (геттеры), которые обладают способностью поглощать газ и обеспечивают требуемый вакуум.
Но в некоторых лампах баллоны умышленно наполняются определенными газами или парами. В этом случае ток, протекающий через лампу, не будет уже определяться исключительно электронами, вылетевшими из катода, как в вакуумной лампе. Здесь электрон, вылетев из катода, может по пути к аноду столкнуться с молекулой — газа. Если удар будет достаточно сильным, то он может выбить из молекулы другой электрон. Молекула тогда сделается ионом и начнет двигаться к катоду, а оба электрона полетят дальше к аноду. Но они опять могут столкнуться с новыми молекулами и разобьют их. Процесс образования ионов и электронов, или, как говорят, процесс ионизации газа, будет нарастать, как лавина, летящая с горы. Поэтому, когда надо получить большие силы тока, выгоднее применять лампу, наполненную газом.
Однако газонаполненные лампы имеют и ряд недостатков. Главнейший из них состоит в том, что процесс ионизации происходит сравнительно медленно.
«ЭЛЕКТРОННОЕ ДЕРЕВО»
Из «эффекта», открытого Эдисоном, стало расти и развиваться чудесное «растение». С течением времени оно выросло и превратилось в большое, густое и развесистое «дерево». Каждая веточка этого «дерева» — это новая разновидность электронных ламп. «Дерево» это, изображенное на следующей странице, наглядно показывает прогресс электронной техники за 60 лет ее жизни.
В 1895 году известный физик Рентген обнаружил, что если на пути быстро летящих электронов, то есть притягиваемых очень высоким напряжением, поставить металлическую пластинку, то в месте падения электронов возникнут какие-то лучи, подобные лучам света, но совершенно невидимые нашим глазом.
После тщательного их изучения оказалось, что они обладают рядом чрезвычайно интересных свойств. Так, например, они легко проникают через любые совершенно непрозрачные для обычного света тела. Подобно световым лучам они производят почернение фотографической пластинки. Некоторые вещества под их воздействием начинают светиться видимым светом. Проходя через газы, они вызывают их ионизацию, то есть выбивают из газовых молекул электроны, и, наконец, они оказывают сильное специфическое воздействие на живые организмы и ткани. Эти таинственные, неизвестные до этого лучи стали называть X-лучами, или, по имени их изобретателя, лучами Рентгена.
Но Рентгену не удалось получить устойчивого, неизменного потока электронов. Поэтому и поток Х-лучей у него получался неравномерным по величине, а сами лучи были неоднородными по своим свойствам. И вот тогда, в 1913 году, американец Кулидж предложил использовать в качестве источника электронов в рентгеновской трубке раскаленное тело, то есть воспользоваться «эффектом Эдисона». Это произвело целый переворот в рентгенотехнике. Новые трубки оказались свободными от всех недостатков прежних трубок. Молодое «электронное растение» получило первое важное ответвление — трубки Кулиджа и Рентгена.
Несколько лет спустя, в 1916 году, «растение» дало еще один побег — электронно-лучевые трубки. Простейший вид такой трубки показывает рисунок на этой странице.
Нагреваемый катод
Если на пути электронного пучка, поставить пластинки П1 и П2 и подать на них переменное напряжение, то они будут отклонять электронный пучок, и светящееся пятно нарисует на экране все изменения, происходящие с напряжением на пластинках.
Эта трубка сыграла огромную роль в открытии электрона и изучении его свойств. Ученому и инженеру она позволила видеть и записывать явления, происходящие в различных электрических цепях в течение чрезвычайно коротких промежутков времени.
Применение электронно-лучевой трубки в телевидении резко повысило качество применяемых изображений. Современное телевидение совершенно немыслимо без этого важнейшего прибора.
ЕЩЕ ОДНО «РАСТЕНИЕ»
Под сенью нашего «электронного дерева» взошло и стало быстро развиваться еще одно чудесное «растение».
В то время как первое «дерево» выросло из «эффекта Эдисона», второе ведет свое происхождение от другого эффекта — эмиссии электронов под действием света, или, сокращенно, фотоэффекта. Это «растение» носит название фотоэлемента.
Принцип устройства фотоэлемента довольно прост. На внутреннюю поверхность стеклянной колбы нанесен слой металла, являющегося катодом, из которого под действием света излучаются электроны. Наибольшей способностью излучать под действием света электроны обладают металлы: калий, натрий, рубидий и цезий. Они-то главным образом и применяются для фотокатодов.
Вылетевшие из фотокатода электроны, как и в обычной электронной лампе, притягиваются положительно заряженным анодом. Анод, чтобы не загораживать свет, падающий на катод, делается в фотоэлементах в виде сетки или кольца. Хотя явление фотоэффекта известно сравнительно давно — оно открыто московским профессором Столетовым в 1888 году, — применяться фотоэлемент стал лишь недавно. Объясняется это в основном тем, что количество электронов, выбиваемых светом из фотокатода, не настолько велико, чтобы их можно было непосредственно подвести к громкоговорителю или другому «рабочему» прибору. Ток от фотоэлемента необходимо предварительно усилить по крайней мере в тысячу раз. Пока усилительная лампа не была усовершенствована, фотоэлемент находил ограниченное применение. Сегодня же, в связи с огромными успехами в области усиления электрических токов, фотоэлемент завоевывает все новые и новые позиции.
В «ДРЕМУЧЕМ ЛЕСУ»
Приведенные на странице 29 «деревья» наглядно изображают историческое развитие электронных приборов. Год за годом развивались и совершенствовались разнообразные лампы. Электронные приборы уже насчитывались тысячами. Но тут надо иметь в виду, что иностранные фирмы из своих коммерческих интересов весьма часто вводят в лампу какое-нибудь несущественное изменение и поднимают вокруг этой лампы рекламную шумиху. В результате появляется «новый» тип лампы, хотя ламп, подобных этой «новой», на рынке имеется добрый десяток. Так, только в Америке в одном лишь 1941 году различными фирмами было выпущено свыше 500 типов приемных и усилительных ламп. В это число не входят мощные генераторные лампы, электронно-лучевые трубки, трубки Рентгена, фотоэлементы и др. Общее количество различных типов электронных приборов, выпускаемых сегодня мировой радиопромышленностью, насчитывается многими тысячами.
Как же разобраться в таком хаосе? Чтобы ориентироваться в этом «дремучем лесу», мы на страницах 40–41 даем классификационную схему. На ней приведены лишь приборы, имеющие какие-то принципиальные отличия. Как видно на этой схемы, даже таких, в самой своей идее различных, электронных приборов наберется свыше двух десятков.
Поделиться книгой: