|
Для более правильного понимания работы электронных ламп на СВЧ необходимо познакомиться с наведенными токами в цепях
электродов этих ламп.
При рассмотрении работы ламп обычно для упрощения считают, что ток в цепи какого-либо электрода возникает благодаря попаданию
на этот электрод потока электронов, летящих внутри лампы. Такой поток электронов внутри лампы называют конвекционным током.
Более глубокое изучение работы электронных ламп показало, что ток во внешней цепи любого электрода представляет собой
наведенный (индуцированный) ток, сущность которого легко уяснить, если вспомнить явление электростатической
индукции.
Рис. 24.3. Схема электростатической индукции
Пусть имеется незаряженный проводник А (рис. 24.3), к одному концу которого приближается отрицательно заряженный
конец проводника Б. Тогда некоторое число электронов проводника А, отталкиваемых зарядом проводника Б, уйдет
на другой конец проводника А и там возникнет отрицательный заряд. На ближнем к индуцирующему заряду конце проводника
А будет недостаток электронов, т.е. появится положительный заряд. При этом вдоль проводника А пройдет ток,
который и будет наведенным током. Его значение тем больше, чем больше индуцирующий заряд и чем быстрее он приближается
к проводнику А. Если удалять проводник Б от проводника А, то электроны будут возвращаться, и, следовательно,
в проводнике А пройдет ток обратного направления, значение которого по-прежнему будет определяться скоростью движения
проводника Б и индуцирующим зарядом.
Итак, если электрический заряд приближается к какому-либо проводнику или удаляется от него, то в этом проводнике
появляется наведенный ток.
В электронных лампах функцию индуцирующего отрицательного заряда выполняет поток электронов, т. е. конвекционный ток.
Этот ток всегда возбуждает наведенные токи в проводах, соединенных с электродами лампы. Наведенный ток увеличивается при
увеличении числа и энергии летящих электронов, а также при уменьшении расстояния между ними и данным электродом.
Пусть, например, на анод диода с накаленным катодом подается постоянное напряжение. Тогда от катода к аноду внутри лампы
начнет двигаться поток электронов, который вызовет наведенный ток во внешней части анодной цепи. Таким образом, анодный
ток возникает не в тот момент времени, когда электроны достигают анода, а в момент, когда они начинают удаляться от катода.
В статическом или квазистатическом режиме, когда tпр << Т, наведенный ток в анодной
цепи диода равен конвекционному току. Это позволяет для данных режимов вообще не вводить понятие «наведенный ток». Но на
СВЧ, когда за время пролета электронов от одного электрода к другому напряжения значительно изменяются, необходимо рассматривать
наведенные токи в цепях электродов. Можно представить себе даже такой случай, когда электроны совершают колебания, например,
в промежутке катод — анод, но из-за своей инерции не попадают на анод. Однако они создают в анодной цепи наведенный ток.
С учетом наведенного тока можно лучше понять преобразование энергии, совершающееся при движении электронов в электрическом
поле. Рассмотрим для примера движение электронов в ускоряющем или тормозящем поле между двумя электродами, считая, что это
поле создано источником ЭДС в виде батареи (рис. 24.4). Поток летящих внутри лампы электронов создает в цепи
Рис. 24.4. Наведенный ток при движении электронов в поле, созданном постоянным напряжением
С учетом наведенного тока можно лучше понять преобразование энергии, совершающееся при движении электронов в электрическом
поле. Рассмотрим для примера движение электронов в ускоряющем или тормозящем поле между двумя электродами, считая, что это
поле создано источником ЭДС в виде батареи (рис. 24.4). Поток летящих внутри лампы электронов создает в цепи батареи наведенный
ток, направление которого совпадает с направлением конвекционного тока. Здесь, как и везде далее,
стрелки показывают направление движения электронов от минуса к плюсу, а не условное направление тока от плюса к минусу. Нетрудно
видеть, что при ускоряющем поле (рис. 24.4, а) наведенный ток, проходящий через батарею, будет для нее разрядным током.
Батарея разряжается, т. е. расходует свою энергию, которая с помощью электрического
поля передается летящим электронам и увеличивает их кинетическую энергию. А при тормозящем поле (рис. 24.4,б) наведенный
ток, наоборот, будет для батареи зарядным током, т. е. электроны отдают свою энергию, которая накапливается в батарее. Процессы
заряда и разряда аккумуляторной батареи наведенным током, конечно, не имеют практического применения в технике СВЧ и описаны
только в качестве примера.
Рис. 24.5. Наведенный ток при движении электронов в поле, созданном переменным напряжением колебательного контура
Следует учитывать также возникновение наведенных токов в колебательных контурах, подключенных к лампе. На рис. 24.5
изображен колебательный контур, состоящий из индуктивности L и емкости С, которой может быть емкость между
двумя электродами лампы. Пусть в контуре происходят свободные затухающие колебания. Тогда на зажимах контура и на электродах
лампы будет переменное напряжение. Предположим, что между электродами движется поток электронов (каким способом он получен,
пока не имеет значения).
Если поле, созданное напряжением электродов, тормозит электроны (рис. 24.5, а), то наведенный ток будет током, питающим контур.
Действительно, направление этого тока таково, что создаваемое им в контуре напряжение совпадает по
фазе с напряжением, имеющимся в контуре от свободных колебаний. Это значит, что наведенный ток препятствует затуханию колебаний.
Иначе говоря, часть кинетической энергии летящих электронов передается в контур и поддерживает там колебательный процесс.
Но если поле, созданное переменным напряжением, будет ускоряющим для электронов (рис. 24.5,б), то наведенный ток создает
в контуре падение напряжения, противоположное по фазе переменному напряжению свободных колебаний, т. е. способствующее более
быстрому их затуханию. В данном случае контур тратит часть своей энергии на увеличение скорости полета электронов, и поэтому
затухание колебаний в контуре усиливается.
Таким образом, для ослабления затухания, т. е. для поддержания колебаний в контуре, подключенном к электродам лампы,
необходимо направлять в пространство между электродами поток электронов в те промежутки времени, когда электрическое поле
будет тормозящим.
Чтобы лучше представить себе возникновение наведенного тока, следует изучить этот процесс в диоде. Полученные при этом
выводы будут справедливы и для любой другой системы из двух электродов. Для упрощения рассуждений рассмотрим случай, когда
анодное напряжение представляет собой импульс прямоугольной формы, длительность которого соизмерима с временем пролета.
Графики этого напряжения и наведенного тока в проводах анода и катода диода приведены на рис. 24.6, а. На рис. 24.6,б показано
для различных моментов времени распределение электронного потока, т.е. конвекционного тока, в промежутке анод — катод.
Рис. 24.6. Наведенный ток в диоде
В момент t1 электроны начинают двигаться от катода (точнее, от «электронного облачка» около
катода) и возникает наведенный ток. Промежуток анод — катод еще не заполнен электронами. Через некоторое время, в момент
t2, значительная часть этого промежутка уже заполнена электронами. Так как они движутся в ускоряющем поле,
то скорость их больше, чем в момент t1,.
Благодаря этому наведенный ток становится больше и скорость его нарастания увеличивается. В момент t3
электроны достигают анода и все пространство анод — катод заполнено движущимися электронами. Наведенный ток становится максимальным.
Такое положение сохраняется до конца импульса напряжения (момент t4). после чего новые электроны уже не
будут двигаться от катода к аноду. А электроны, заполняющие промежуток анод — катод, продолжают по инерции двигаться к аноду.
Число их уменьшается, т. е. промежуток «очищается» от электронов, и соответственно уменьшается наведенный ток (момент t5).
Когда в момент t6 в промежутке анод — катод не остается электронов, наведенный ток становится
равным нулю. Как видно, импульс наведенного тока растянут во времени по сравнению с импульсом напряжения и отстает от последнего,
т. е. позже достигает максимума и позже спадает до нуля.
Если после положительного импульса анодного напряжения последует отрицательный импульс, то часть электронов все же долетит
до анода, а другая часть затормозится настолько, что остановится и станет возвращаться на катод.
Следовательно, возникает конвекционный ток обратного направления и соответственно создается импульс обратного наведенного
тока. Аналогичные явления происходят и при подаче на диод переменного синусоидального напряжения.
|
