科普2:电子管(真空管)的工作原理(一)

我在“科普1:电流不是电流”一文里说了,导体里的自由电子并不是从头跑到尾,而是像接力赛跑那样的。所以我说:把电流看作是自由电子流动是不确切的。那有没有电子从头跑到脚形成电流呢?有。在电子管(因为管子里必须抽成真空,所以也叫真空管)里就是这样的。

电子管是从白炽灯(过去俗称电灯泡,是最早的电照明器件,后来是日光灯、节能灯、LED灯)发展而来的。发明电灯泡的是爱迪生。白炽灯是靠电流通过电阻值较高的灯丝,产生高温而发光的,金属灯丝因高温而蒸发,很快就变细断掉,寿命很短。爱迪生动了很多脑筋,都不解决问题。有一天,他想,能不能借助电场来阻止金属蒸发?他就在灯泡里放入一个金属板,并用导线连接到灯泡外。结果发现,在灯丝与金属板之间连一个电流表,表指针竟然动了!不过电流极其微弱。他在电路里串入一组电池,正极连金属板,负极连灯丝,发现电流大增。再把电池反接,电流没有了,连原来的微弱电流有没有了。原来这个东西有单向导电性,这可是人类从未拥有过的器件!爱迪生发明了灯泡,进而发明了电子管。这个发明非同小可,爱迪生让人类从电学时代一脚迈进电子学时代。

现在我们可以来说说电子管的基本原理了。“科普1:电流不是电流”一文里说了,在导体里有大量自由电子。温度越高,自由电子越多。电灯泡灯丝达到了两千度,灯丝里的自由电子多到爆棚。有一部分能量特别大的就从灯丝里逸出,跑到真空里,在灯丝的附近形成电子云(说明一下,这个电子云与量子力学里的电子云不是一回事。前者是在真空中的,后者是在原子中的。)。一部分电子跑出去了,灯丝就带了正电荷,要把逸出的电子拉回来,有出去的,有回来的。因此,与导体里的自由电子一样,电子云也是动态平衡的。

各种灯丝材料有各自的逸出功,只要电子的能量大于逸出功,电子就会跑出来。灯丝一般是用钨丝制作的,钨的逸出功比较高,电子很难逸出。后来就在灯丝外面套一个阴极,主要材料是氧化钡。

在真空二极管里,灯丝叫阴极,是用来发射电子的;金属板叫屏极,用来收集阴极发射的电子。

如果没有外加电压,逸出电子要跑到屏极去是相当困难的。因此,爱迪生在没加电池组时,只看见微弱的电流。如果在屏极加上正电压,一个很小的正电压就能抵消阴极对电子云的吸引,就会有大量逸出电子奔向屏极,形成很大的电流。如果屏极接负电压呢?那就把逸出电子统统打回老家(阴极)去了。从电子云的角度来说,电子云是阻碍阴极里的电子跑出来的,因为它们都是电子,都带负电荷,同性相斥。屏极相对于阴极带正电压,会减薄电子云,也就是阴极里的电子容易逸出,如果屏极带负电,就会加厚电子云。这就是真空二极管的单向导电性。

在电子管(真空管)里,每个电子确实是从阴极一路跑到屏极的,这才是名副其实的电流。

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