|
Когда светит, или, как мы обычно говорим, «горит», электрическая лампочка, по ее спиральке и проводам на стене комнаты протекает электрический ток. Электрический ток в проводниках — это не. что иное, как поток очень малых, элементарных, неделимых частичек материи — электронов. Каждый электрон несет на себе элементарный заряд отрицательного электричества. Все электроны, составляющие электрический ток в проводнике, движутся непременно только в одном направлении.
Спираль лампочки, как и все вещества в природе, состоит из очень малых, невидимых частиц — атомов.
Впрочем, как ни малы атомы, электроны гораздо меньше. Двигаясь по проводнику, одни электроны проскакивают между атомами проводника, другие ударяются о них. За счет таких ударов проводник разогревается и начинает светиться. При этом говорят, что электрическая энергия переходит в тепло и свет, которые, в свою очередь, тоже являются формами проявления энергии.
О ЛАМПАХ, КОТОРЫЕ НЕ СВЕТЯТ
Пример с электролампочкой — наиболее простой. Но ведь вы знаете и другие лампы, те, которые применяете при конструировании радиоприемников, усилителей, выпрямителей и других радиоприборов. Это радиолампы.
Внешне радиолампы несколько похожи на Электрические осветительные, но назначение их совершенно иное. Электрическая лампочка нужна нам как источник света и иногда (например, в электроинкубаторе) как источник тепла. А ведь радиолампы мы никогда не применяем для освещения. Для этого они совершенно непригодны.
Вот здесь-то мы с вами и подошли вплотную к вопросу о том, что такое электроника.
Радиолампа — это не что иное, как электронный прибор. Самая простая радиолампа — двухэлектродная, или диод. Диод представляет собой небольшой стеклянный или металлический баллончик, из которого тщательно выкачан воздух.
Внутри баллона (рис. 1) помещена металлическая нить, называемая катодом. Концы этой нити выведены к специальным контактным ножкам, расположенным на цоколе лампы. Над нитью или вокруг нее размещается второй электрод, называемый анодом. Иногда анод делают в виде овального цилиндра, диска или чашечки.
Через нить (катод) пропускают электрический ток, и она раскаляется. И вот тут-то мы с вами становимся свидетелями, наблюдателями одного очень интересного явления.
Вы уже знаете, что в любом проводнике всегда имеются свободные электроны, не связанные с атомами. При подключении проводника к источнику тОка свободные электроны приходят в движение. Сам проводник при этом разогревается. И оказывается, что с поверхности нагретой нити под действием тепла «испаряются», или, точнее, излучаются, электроны. Происходит так называемая термоэлектронная эмиссия (рис. 2).
Электроны вылетают из нити в окружающее ее разреженное пространство — вакуум. Потеряв большое количество таких электронов, атомы вещества нити накала сами становятся заряженными положительно и спустя некоторое время начинают притягивать обратно к себе электроны, многие из которых к тому времени уже потеряли свою скорость и «толпятся» около нити в виде электронного облачка.
Нить накала и источник тока, питающий ее, образуют вместе цепь накала. Ток же, протекающий в этой цепи, называют током накала, а количество электронов, испускаемых катодом в одну секунду, — током эмиссии. Ток эмиссии обычно измеряют в миллиамперах. Недалеко от нити помещен анод (в форме пластинки, цилиндра, чашечки и т. п.). К аноду подведен положительный полюс другой электрической батареи, более высокого напряжения (рис. 3).
Выброшенные из нити накала электроны, как частицы, заряжецг ные отрицательно, дружно устремятся к аноду. С него электроны по цепи попадают в батарею и через другой ее полюс (отрицательный), подключенный к нити накала, поступают обратно в батарею. Они циркулируют в цепи анода, пока не иссякнет энергия обеих батарей. Таким образом, в цепи анода создается электрический ток.
А как, по-вашему, будет изменяться сила тока в анодной цепи, если мы, сохраняя прежнее напряжение нити накала, изменим напряжение, приложенное к аноду? Допустим, что напряжение постепенно возрастает. Сначала, при малом положительном напряжении на аноде, сила тока его цепи невелика. Это означает, что только часть электронов, излучаемых нитью накала, притягивается к аноду. Остальные, «потолкавшись» в облачке около нити, падают на нее обратно.
По мере повышения положительного напряжения на аноде лампы электроны становятся более «чуткими» и «послушными», и все больше и больше их улетает к аноду. Благодаря этому ток в цепи анода непрерывно растет. Да это и понятно: больше электронов — сильнее ток.
Так продолжается некоторое время, и вдруг закономерность нарушается. Напряжение на аноде увеличивается, а ток в цепи не растет. В чем же дело? Неужели электроны перестали слушаться мощной команды положительно заряженного анода? Ничего подобного! Просто при существующем напряжении в цепи нити накала большее количество электронов с поверхности нити накале вылетать не может. И сколько ни увеличивай теперь напряжение на аноде, все будет бесполезно: поток электронов не изменится. Дополнительные электроны можно получить, только повысив напряжение на нити накала, то есть подняв ее температуру. Но это небезопасно: нить катода может перегореть. О том, какой выход нашли ученые для того, чтобы подгонять электроны, мы расскажем немного позже. А сейчас познакомимся с некоторыми интересными свойствами этой простейшей электронной лампы.
Движение электронов внутри лампы несколько напоминает нам движение электронов в обычном проводнике. Но в любом проводнике ток может проходить в любом направлении, все будет зависеть от того, как подключен к нему источник тока. Авот в электронной лампе ток может проходить только в одну сторону, то есть только тогда, когда к его аноду приложено положительное напряхсение, а к катоду — отрицательное.
Если к аноду приложить отрицательное напряжение, а к катоду — положительное, то силы электрического поля внутри лампы будут отталкивать от анода электроны, вылетающие из катода (рис. 4). Пролетев некоторое расстояние, электроны под действием сил этого поля и сил притяжения катода (находящегося под положительным напряжением) падают обратно на катод. А раз электроны не долетят до анода, то и тока в анодной цепи не будет. В этом случае говорят, что лампа заперта. Таким образом, мы выяснили, что двухэлектродная электронная лампа — диод — пропускает электрический ток только в одном направлении.
Как мы уже отмечали, из баллона диода, так же как и из любой другой электронной лампы, тщательно выкачивают воздух, то есть создают внутри баллона вакуум.
А что произойдет, если воздух выкачан плохо? Оказывается, такая лампа прослужит недолго: раскаленная нить накала вступает в химическое соединение с кислородом (окисляется) и перегорает. Лампы с недостаточной откачкой, или, как говорят, с газом, не могут удовлетворительно работать. Но такие лампы вы обнаружите легко: при работе они светятся голубоватым светом.
Свойство диодов пропускать ток только в одном направлении используется в выпрямителях для преобразования переменного тока в ток одного направления. Диоды могут выпрямлять переменные токи как низкой, так и высокой частоты. Диоды, применяемые в схемах силовых выпрямителей, называют кенотронами.
СЕТКА ПОДГОНЯЕТ ЭЛЕКТРОНЫ
Стремясь добиться усиления электрического тока в лампе, ученые ввели в нее еще один, третий электрод, так называемую сетку. Лампа с электродом-сеткой получила название триода (рис. 5). Сетка размещается между катодом и анодом и обычно делается в виде спирали. Она имеет свой отдельный вывод. Между этим выводом и катодом включается напряжение, называемое сеточным напряжением. Остальные электроды триода включаются в цепь точно так же, как и у знакомого нам диода.
Когда напряжение на сетке равно нулю, электроны беспрепятственно пролетают от катода к аноду — так, как если бы сетки внутри лампы не было совсем (рис. 6). Но если на сетку подать положительное напряжение, то можно наблюдать интересное явление.
Расположенная почти рядом с нитью накала, сетка оказывает на облачко электронов действие намного сильнее, чем далекий анод, хотя к нему и подведено довольно высокое положительное напряжение.
Под действием положительного напряжения на сетке электроны мгновенно «бросаются» к ней, приобретая большую скорость. А так как сетка сделана в виде тонкой проволочной спирали, то электроны пролетают сквозь нее дальше и здесь, в поле действия сильного анода, еще больше разгоняются и попадают, наконец, на анод. Короче. говоря, сетка является как бы предварительным ускорителем, подгоняет электроны к аноду (рис. 7).
А что будет, если к сетке подвести отрицательное напряжение?
Оказывается, картина резко меняется. Вылетевшие из нити катода электроны приближаются к сетке, но не с возрастающей, а, наоборот, с убывающей скоростью. Движение электронов вблизи сетки резко затормаживается, а затем они останавливаются и возвращаются обратно к нити (рис. 8).
Впрочем, здесь мы должны оговориться.
Когда к сетке приложено отрицательное напряжение, вылетевшие из катода электроны оказываются под действием сразу двух сил: притягивающей силы положительно заряженного анода и отталкивающей силы отрицательно заряженной сетки. Й вот здесь-то получается «кто—кого»!
Если отрицательное напряжение на сетке невелико, то ее отталкивающая сила, действующая на электроны, тоже невелика, и некоторым электронам все же удается пролететь сквозь сетку к аноду.
С увеличением на сетке отрицательного напряжения отталкивающая сила сетки, действующая на электроны, тоже увеличивается. И благодаря этому все меньше и меньше электронов сможет пробиться к аноду сквозь сетку. А отсюда следует, что будет соответственно уменьшаться и анодный ток.
Наконец наступает такой момент, когда при некотором значении отрицательного напряжения, приложенного к сетке, величина ее отталкивающей силы становится настолько большой, что ни один электрон уже не в состоянии пролететь сквозь сетку к аноду, и поэтому величина анодного тока становится равной нулю. В этот момент лампа заперта.
Теперь вернемся к случаю, когда к сетке приложено не отрицательное, а положительное напряжение. При этом на испускаемые катодом электроны будут действовать две одинаково направленные силы — притягивающая сила положительно заряженного анода и притягивающая сила положительно заряженной сетки. Благодаря этому большая часть электронов пролетит сквозь сетку и достигнет анода, но часть притянется положительно заряженной сеткой и создаст в ее цепи ток, который называется сеточным.
При достаточно большом значении положительного напряжения на сетке анодный ток увеличивается до максимального (наибольшего) значения. А при этом заметно возрастает и сеточный ток.
Мы уже говорили, что сетка обычно находится ближе к катоду, чем анод, а поэтому всякое изменение напряжения на ней значительно сильнее влияет на величину анодного тока, чем такое же изменение величины напряжения на аноде. Значит, сильное влияние сетки на вылетающие из катода электроны позволяет с помощью небольшого приложенного к ней переменного напряжения получить значительное изменение анодного тока, то есть с помощью сетки управлять величиной тока в анодной цепи лампы. За это свойство сетку лампы обычно называют управляющей.
ЭКРАН В ЛАМПЕ
Вы, конечно, слышали такое название — экранированная лампа?
Но задумывались ли вы, что оно означает? И зачем лампе экран?
Оказывается, экран в электронной лампе — очень важная деталь. Как вы уже знаете, электронная лампа может управлять величиной анодного напряжения, то есть усиливать и ослаблять его. В технике не всегда удается получить достаточное усиление переменного напряжения с помощью одной лампы и приходится применять несколько ламп. Из-за этого сильно усложняется и удорожается аппаратура. К тому же и сам триод может дать нам усиление сравнительно небольшое. Для того чтобы триод обладал большими способностями к усилению, между его управляющей сеткой и анодом помещают четвертый электрод — дополнительную сетку, которую называют экранирующей. Лампу с такой сеткой (рис. 9) называют экранированной лампой, или тетродом (от греческого слова «тетро» — четыре, по числу электродов в лампе).
К экранирующей сетке подводят постоянное положительное напряжение. Благодаря этому влияние анода, отделенного от катода двумя сетками, на электроны, вылетевшие из катода, уменьшается, а коэффициент усиления лампы увеличивается.
Сам анод в этом случае притягивает электроны очень слабо, но зато положительно заряженная экранирующая сетка, ближе расположенная к катоду, сильно притягивает вылетающие из него электроны. Поэтому электроны, набрав большую скорость, по инерции пролетают сквозь сетку к аноду и создают в его цепи анодный ток. При этом небольшое число электронов попадает на экранирующую сетку и создает в ее цепи ток, который называется током экранирующей сетки. Для того чтобы этот ток
был небольшим, величина положительного напряжения экранирующей сетки должна быть значительно меньше величины анодного напряжения.
Есть у экранирующей сетки и еще одно полезное свойство. Посмотрите внимательно на цепь управляющая сетка — анод. Что мы получим, если в к?кой-то момент времени на сетку подано отрицательное напряжение?
В этом случае между двумя электродами — анодом и сеткой — возникает электрическое поле, как между двумя пластинами конденсатора. И если замкнуть эту цепь, такой «конденсатор» начнет разряжаться, то есть энергия электрического поля будет переходить в энергию магнитного поля. Это значит, что мы получили электромагнитные колебания, источником которых стала лампа-триод.
Такие колебания нам, разумеется, не нужны, пользы от них никакой. Даже более того, колебания, которые генерирует сама лампа, вредны, создают лишние помехи. Именно экран и избавляет лампу от таких колебаний.
Лампы, содержащие, кроме катода и анода, еще управляющие электроды, обычно в виде сеток, выпускаются с общим числом электродов от трех до девяти и имеют соответствующие названия: триод, тетрод, пентод,
гексод, гентод, октод и эннод. При этом лампы, имеющие два управляющих электрода (две сетки) и более, выделяют в группу многоэлектродных ламп.
Если лампа содержит в себе две (или более) системы Электродов с независимыми потоками электронов, то ее называют комбинированной (двойной диод, двойной триод, триод-пентод, двойной диод-пентод и другие).
Радиолампы, простые и сложные, вы применяете у себя в технических кружках при постройке радиоприемников, усилителей, телевизоров, приемо-передаю-щей аппаратуры для моделей, различных автоматических электронных устройств и многого другого. А теперь вы познакомились и с процессами, которые протекают в электронной лампе — этой маленькой, но очень важной частице больших и сложмых электронных машин, приборов и ваших пока небольших, но интересных самоделок.
Хоть и много существует видов электронных ламп, ими далеко не исчерпывается все многообразие электронных приборов. В дальнейшем вы познакомитесь и с такими электронными приборами, как фотоэлементы, фотосопротивления, газотроны, тиратроны, электронно-лучевые трубки, и многими другими, а также полупроводниковыми приборами, которые с каждым днем все глубже проникают во все отрасли техники и науки.
Наше время называют веком автоматики. ПрименениЬ автоматики в различных отраслях науки, техники и производства поистине безгранично, и рассказать об этом сразу невозможно. Поэтому мы решили начать с одной небольшой и сравнительно простой, но очень важной области автоматики — фотоэлектронной автоматики, основанной па применении «электрического глаза» — фотоэлемента.
Фотоэлемент, подобно глазу человека, воспринимает свет.
Впрочем, не только воспринимает, по и превращает его в электрические сигналы, которые можно даже измерить с помощью чувствительного электроизмернтельного прибора.
Посмотрите иа рисунок 1. Стеклянный баллон Б фотоэлемента подобен глазному яблоку, а линза JI. стоящая перед баллоном и служащая для фокусировки светового потока на катод, напоминает нам хрусталик глаза. Катод фотоэлемента К чувствителен к свету, как и сетчатка глаза, а электрические провода, идущие от катода К и анода А и передающие сигналы к измерительному прибору, играют в фотоэлементе ту же роль, что и глазной нерв, передающий световое раздражение сетчатки глаза к головному мозгу.
Такое упрощенное сравнение фотоэлемента с глазом мы привели лишь для того, чтобы стал понятен принцип действия фотоэлемента. В действительности же фотоэлемент по внешнему виду на глаз совершенно не похож. Как выглядят современные фотоэлементы, показано на рисунке 2.
Из стеклянного баллона фотоэлемента воздух удаляется, и в нем создается сильно пониженное давление. Светочувствительный материал катода нанесен на посеребренную внутреннюю поверхность баллона. Этот слой светочувствительного материала занимает примерно 0,3—0,5 всей поверхности баллона. Анод в виде проволочного кольца или металлического диска располагается в центре баллона.
Если включить фотоэлемент в цепь так, чтобы «плюс» батареи был соединен с анодом фотоэлемента, а «минус» — с катодом, но оставить фотоэлемент в темноте, то никакого тока в цепи наблюдаться не будет. Если же направить на катод пучок света, в цепи появится электрический ток. В чем тут дело?
Оказывается, свет, падающий на поверхность светочувствительного вещества, вырывает нз его атомов электроны. О таком материале говорят, что он обладает фотоэлектрическим эффектом, или фотоэффектом.
При освещении катода возле него возникает облачко свободных электронов, которые устремляются к положительно заряженному аноду (рис. 3). Пока катод освещен, этот процесс будет происходить непрерывно, п по цепи потечет электрический ток. Чем сильнее световой поток, тем больше выбивается электронов нз катода и, следовательно, тем сильнее будет ток в цепи. Этот ток ничем не отличается от обычного электрического тока, но для того, чтобы подчеркнуть его световое происхождение, его обычно называют фототоком.
С помощью фотоэлемента можно построить много интересных приборов и приспособлений. Но сила фототоков ничтожно мала, в лучшем случае — несколько микроампер. Для практического использования фототоки необходимо усилить. С этой целью и строятся приборы, называемые фотореле. С одними из них вы уже познакомились во втором выпуске нашего сборника, о некоторых других мы расскажем вам здесь. Кроме того, в этом сборнике мы познакомим вас с многими интересными и полезными самоделками с применением фотоэлементов, сравнительно несложными и доступными для изготовления в школьном техническом кружке. Для начинающих юных техников здесь даются схемы наиболее простые, а для тех, кто уже имеет некоторый опыт работы с фотоэлектронными приборами, — конструкции посложнее. Выбирайте любую из них!
ФОТОРЕЛЕ УПРАВЛЯЕТ ОСВЕЩЕНИЕМ
Если вам приходилось путешествовать по реке, то вы, конечно, видели бакены с красным и белым светом. Красный свет означает опасность, мель, белый — путь открыт.
Бакены на реке отмечают тот путь, по которому должно следовать судно.
Окрашенные в красный и белый цвета, бакены и днем хорошо видны лоцману, который, маневрируя судном, обходит опасные места. Ночью на бакенах зажигают керосиновые фонари. Каждый вечер лодочник подъезжает к бакенам, доливает в резервуар лампы масло или керосин, поправляет фитили и, протерев стекло, зажигает фонарь. Один за другим на реке вспыхивают огоньки, сигнализирующие об опасных местах. Так было в течение многих лет.
Но теперь вместо керосиновых фонарей часто ставят электрические лампочки, а в поплавках бакенов помещают источники питания — сухие элементы, или аккумуляторы.
Управление бакенами упрощается, но утром и вечером их приходится выключать и включать. Не гасить свет бакенов нельзя: будет слишком велик расход электрической энергии, и часто придется менять батареи.
Сама собой напрашивается мысль, что на бакен нужно поставить автоматическое устройство, которое будет в сумерки включать свет, а на рассвете — гасить. И на помощь человеку здесь опять приходит фотореле.
Автоматический электробакен с применением фотореле был впервые разработан инженерами 1 Некиным и Синицыным для световой сигнализации на канале имени Москвы (рис. 4). Изобретатели применили железоселеновый фотоэлемент вентильного типа. Им пришлось изготовить очень чувствительное электромагнитное реле с пермаллоевым сердечником, потому что обычное железо, используемое в магннто-проводах реле, не годилось.
Обмотка этого реле имела сопротивление 180 ом, 4 800 витков. Это очень чувствительное реле хорошо срабатывало от тока в 0,001 о.
Керосиновый бакен светит так, что даже от огней на берегу его не сразу отличишь. Каждый знает, что мигающий свет легче заметить издали, а керосиновая лампа мигать не может. С электричеством это сделать проще.
Интересно сделано устройство, заставляющее мигать лампы. Это гак называемая пульс-пара, часто применяемая в телемеханических схемах. Она собирается из двух телефонных или кодовых реле замедленного действия. Эти реле включаются в схему так, что обмотка одного реле замыкается контактами другого и разрывается своими собственными. KOHEЦ ФPAГMEHTA
|
