Беседа седьмая
Чтобы понять радио, важно прежде всего узнать устройство многоэлектродной лампы, которая в радиотехнических устройствах является «мастером на все руки». Верный своему обещанию, Любознайкин приступает к изложению самого основного — рассказывает о свойствах наиболее простых ламп: диода и триода. Так Незнайкин узнает о значении катода, анода и сетки.
НЕЗНАЙКИН ЗНАКОМИТСЯ С ЛАМПАМИ
Незнайкин. — Так как прошлый раз ты обещал мне рассказать о радиолампах, я уже немного изучил материалы по этому вопросу. Из словаря я узнал, что эти лампы называют электронными лампами.
Любознайкин. — Отлично, Незнайкин! Теперь ты достаточно осведомлен!.. Чтобы дополнить сведения, полученные из словаря, мне остается добавить, что электроны играют важную роль в радиолампах.
Н. — Не издевайся надо мной, Любознайкин. Что делают электроны в лампах?
Л. — Электроны испускаются (эмитируются) катодом и, пройдя в вакууме через одну или несколько сеток, притягиваются анодом.
Н. — Час от часу не легче! Катод, анод, сетка… это все равно, что объяснить мне на санскритском языке интегральное исчисление.
Л. — Начнем с азов. Ты знаешь, что такое теплота?
Н. — Мой учебник физики скромно намекает, что теплота — это не что иное, как быстрое и беспорядочное движение молекул, т. е. элементарных частиц тела.
Л. — А что происходит с электронами в молекулах нагретого тела?
Н. — Я думаю, что эти электроны могут уподобиться пассажирам, сидящим в автомобиле, который катится с огромной скоростью, делая сумасшедшие зигзаги. Электроны-путешественники испытывают тряску и ужасно от этого страдают.
Л. — Наука не располагает сведениями о моральном состоянии электронов…, но ты прав, говоря, что они испытывают сильную тряску. Представь, что температура тела очень высока…
Н. — В этом случае движения молекул-автомобилей становятся настолько стремительными и беспорядочными, что немало пассажиров-электронов будет выброшено за борт.
Л. — Это называется электронной эмиссией тела. Если раскалить металлическую проволоку, то из нее хлынет поток электронов. Имеются окиси металлов, у которых электронная эмиссия начинается даже при относительно низкой температуре нагрева.
Н. — Это происходит, видимо, потому, что в этих окисях электроны-пассажиры не держатся крепко за борта своих автомобилей. Но скажи, каким способом ты предполагаешь нагревать металл, чтобы получить электронную эмиссию?
Л. — Для этого могут быть использованы все средства нагрева газ, керосин, уголь, электричество.
Н. — Постой, постой! Я не знал, что радиолампы нагревают на керосинке.
Л. — В действительности катод (так называют в лампе электрод, служащий источником электронной эмиссии) всегда нагревают электрическим током. Но этот ток накала играет вспомогательную, второстепенную роль и может быть заменен другим источником тепла.
В современных лампах нить накала похожа на нить в осветительной лампе и накаливается проходящим по ней током (постоянным или переменным — это безразлично). Нить накала скрыта в фарфоровом цилиндре, через который тепло передается никелевой трубке, плотно прилегающей к фарфоровому цилиндру. Поверхность никелевой трубки покрыта слоем, состоящим из различных окисей, который собственно вместе с никелевой трубкой и является катодом, эмитирующим электроны (рис. 24).
Рис. 24. Составные части подогревного катода.
1 — нить накала, 2 — фарфоровый цилиндр, 3 —никелевая трубка, покрытая активным слоем.
Н. — Словом, что электрическая плитка, на которой стоит чайник, из которого вырывается электронный пар.
Л. — Сравнение мне нравится. Теперь заметь, что электроны, вылетающие из катода, не могут уйти очень далеко, если тотчас же встретят на своем пути молекулы воздуха. Чтобы дать им возможность свободно перемещаться, катод помещают в стеклянную колбу, из которой удален воздух.
Н. — Но куда по-твоему должны идти электроны?
А ВОТ И ДИОД…
Л. — Сейчас мы устроим в лампе ловушку для электронов. Это цилиндр, расположенный на некотором расстоянии вокруг катода (рис. 25). Зарядим его положительно относительно катода с помощью батареи.
Рис. 25. Диод.
н — нить накала; к — катод, а — анод.
Н. — Мне кажется, я знаю, что при этом произойдет. Электроны, будучи отрицательными частицами электричества, начнут притягиваться цилиндром, заряженным положительно, и в лампе установится поток электронов, идущий от катода к этому цилиндру.
Л. — Цилиндр, о котором идет речь, называется анодом, а поток электронов, идущий от катода к аноду, — анодным током.
Анодный ток проходит также через батарею и возвращается на катод. Определить присутствие анодного тока можно при помощи миллиамперметра, включенного в анодную цепь (рис. 26).
Рис. 26. Миллиамперметр mА позволяет измерять ток, идущий от катода к к аноду а.
Н. — Подумать только, электроны перемещаются в пустоте!.. Но скажи, если по рассеянности я включу батарею наоборот, т.е. так, что катод будет положительным, а анод — отрицательным, пойдут ли электроны тогда от анода к катоду?
Л. — Нет, конечно. Холодный анод не испускает электронов.
Н. — Значит, наша лампа является для электронов улицей с односторонним движением.
Л. — Да. В радиотехнике рассмотренная нами лампа называется двухэлектродной электронной лампой или диодом.
Н. — Я думаю, что ток в диоде очень слабый.
Л. — И ты не ошибаешься. По крайней мере в диодах, используемых в радиоприемниках. Ток в них редко бывает больше нескольких десятков миллиампер.
Н. — А от чего зависит этот ток?
Л. — Прежде всего от напряжения, приложенного между анодом и катодом: чем больше это напряжение, тем больше ток.
Н. — Это мне кажется нормальным — чем сильнее анод зовет к себе электроны, тем больше их приходит на его зов.
Л. — Однако это правило справедливо только до некоторого предела, выше которого, несмотря на увеличение напряжения на аноде, ток больше не возрастает.
Н. — Почему же?
Л. — Потому что при определенном напряжении все электроны, испускаемые катодом, достигнут анода, и тогда говорят, что ток достигает насыщения, иными словами, устанавливается максимальный ток, который может создать катод (рис. 27).
Рис. 27. Кривая, показывающая изменение анодного тока в зависимости от анодного напряжения. В точке s наступает насыщение.
НЕЗНАЙКИН ОТКРЫВАЕТ АМЕРИКУ
Н. — Очевидно, самый лучший катод в мире не может дать больше того, чем он располагает… Однако относительно устройства катодов мне пришла грандиозная идея. Мне кажется, что за нее мне могли бы выдать патент.
Л. — Каково же это сенсационное открытие?
Н. — Я думаю, что можно значительно упростить конструкцию катода, объединив в один элемент нить накала и эмитирующую поверхность. Для этого достаточно пропустить ток накала через нить, сделанную из металла, обладающего хорошими эмитирующими свойствами. При этих условиях такая нить, нагреваясь, эмитировала бы сама электроны и представляла собой очень простой катод.
Л. — Поздравляю тебя, Незнайкин. Ты только что изобрел катод прямого накала, действительно более простой, чем катод с косвенным накалом, устройство которого я тебе объяснил. Однако твое изобретение несколько опоздало, так как лампы с прямым накалом были известны задолго до ламп с косвенным накалом. Впрочем, катод с прямым накалом до настоящего времени используют в радиоприемниках, питаемых от батарей, а также в некоторых лампах сетевых радиоприемников.
Н. — Решительно, я родился слишком поздно и мне ничего не осталось изобрести.
В ЛАБИРИНТЕ СЕТОК
Л. — Наоборот. Ты можешь изобрести другие лампы, более сложные, чем диод. Но и тут уже многое было сделано увеличивая число сеток, их форму и расположение, техники создали очень интересные лампы.
Н. — А для чего служат эти знаменитые сетки?
Л. — Сетки — настоящие проволочные решетки с ячейками той или иной величины или цилиндрические спирали — помещаются на пути следования электронов между катодом и анодом. С точки зрения геометрии сетки совсем не создают препятствия движению электронов. Однако, находясь значительно ближе к катоду, сетки оказывают на поток электронов значительно большее влияние, чем анод.
Н. — Это мне не совсем ясно. О каком это влиянии ты говоришь?
Л. — О влиянии напряжения на сетке на анодный ток.
Рассмотрим наиболее простую после диода лампу с одной сеткой, т. е. лампу с тремя электродами — катодом, сеткой и анодом. Она называется триодом и является родоначальницей всех современных многосеточных ламп — восьмиэлектродных (октодов) и даже двенадцатиэлектродных (додекаодов).
Н. — Я предпочитаю, однако, чтобы ты рассказал сначала о триоде. Электроны, может быть, достаточно умны, чтобы найти дорогу среди восьми или двенадцати электродов, но я нахожу, что это чертовски сложно.
Л. — Позднее ты увидишь, что в сущности это очень просто. Чтобы наглядно показать тебе влияние сетки на анодный ток в триоде, я помещу между катодом и сеткой маленькую батарею Бс, соединенную с катодом средним отводом (рис. 28). Благодаря этому я могу приложить к сетке напряжение или отрицательное (соединяя сетку с левой частью батареи), или положительное (соединяя ее с правой частью батареи). Таким образом, можно изменять напряжение сетки по отношению к катоду от —2 до +2 в. Точно так же анодное напряжение может изменяться путем переключения отводов на анодной батарее Ба, отрицательный вывод которой соединен с катодом.
Рис. 28. Схема, позволяющая сравнить влияние напряжений сетки и анода на анодный ток. Изменение напряжения батарей сетки и анода (Бс и Ба) производится путем увеличения числа работающих элементов.
Н. — Я вижу, что для анода ты взял батарею 120 в, тогда как для сетки только 4 в. Почему?
Л. — Да потому что, как ты это сейчас увидишь, небольшие изменения напряжения на сетке производят на анодный ток то же действие, что и значительные изменения напряжения на аноде. Смотри сам. Включаем на анод +80 в и на сетку —2 в. Какой ток показывает миллиамперметр mА?
Н. — Один миллиампер.
Л. — Хорошо. Теперь я устанавливаю напряжение на сетке —1 в, т. е. увеличиваю напряжение на 1 в. Анодный ток возрос до 4 ма. Значит, он увеличился на 3 ма при изменении напряжения на сетке на 1 в.
Н. — Я думаю, что он увеличился потому, что сетка, став менее отрицательной, отталкивает менее энергично электроны, которые вырываются с катода.
КРУТИЗНА И КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ
Л. — Конечно. Попутно добавлю, что величина изменения анодного тока при увеличении напряжения на сетке на 1 в называется крутизной лампы и измеряется в миллиамперах на вольт (ма/в). Крутизна нашего триода 3 ма/в, потому что, увеличивая на 1 в напряжение на сетке, мы наблюдаем увеличение анодного тока на 3 ма.
Н. — Но из того, что ты говорил раньше, мы можем также увеличить анодный ток, увеличивая напряжение, приложенное к аноду.
Л. — Сейчас расскажу. Подадим снова на сетку напряжение —2 в и попытаемся увеличить анодный ток на ту же величину 3 ма, но уже путем изменения напряжения на аноде. Ты видишь, что для этого я вынужден перейти с +80 в на +104 в, т. е. увеличить напряжение на аноде на 24 в. Только при этом условии можно получить тот же эффект, который был произведен изменением напряжения на сетке на 1 в.
Н. — Вот теперь я понял то, что ты рассказывал о влиянии сетки. Действительно, сетка оказывает на анодный ток влияние, значительно большее, чем анод. Словом, когда сетка нежно шепчет свой призыв к электронам, а анод зовет их во всю силу легких, эффект получается один и тот же.
Л. — Это так, Незнайкин. Запомни также, что число, которое показывает, во сколько раз изменение анодного напряжения больше изменения напряжения на сетке, которое производит то же действие на анодный ток, называется коэффициентом усиления лампы. Каков же, например, коэффициент усиления нашего триода?
Н. — Сейчас увидим. Мы должны были изменить напряжение на аноде на 24 в, чтобы изменить анодный ток на 3 ма. С другой стороны, то же изменение было достигнуто при изменении напряжения на сетке только на 1 в. Следовательно, изменение анодного напряжения в 24 раза больше, чем напряжение на сетке, и коэффициент усиления равен 24.
Л. — Отлично. Я вижу, что ты понял. Я хотел бы, чтобы ты особенно запомнил, что небольшие изменения напряжения на сетке вызывают большие изменения анодного тока.
Н. — Я начинаю подозревать, что именно поэтому лампы и могут усиливать.
Л. — И ты не ошибаешься!
Назад: Беседа шестая
Дальше: Беседа восьмая
