|
Аноды усилительных ламп во время
работы сильно греются. У мощных усилительных ламп они нагреваются настолько,
что раскаляются докрасна. У больших генераторных ламп необходимо специальное
охлаждение анодов — водяное или воздушное, иначе они могут расплавиться.
А почему же все-таки аноды греются?
Ответ как будто не вызывает затруднений: нагрев производит
электрический ток. Через лампу течет анодный ток и разогревает анод, все
электроды, через которые он проходит, и вообще всю лампу. Прохождение электрического
тока всегда сопровождается выделением тепла. Петербургский ученый Ленд и
одновременно с ним англичанин Джоуль вывели известный в физике закон,
гласящий, что при прохождении тока в цепи выделяется тепло в количестве Q
—0,24 RIH калорий, где R — сопротивление цепи; / — величина тока; t — время.
Эта формула не вызывает сомнений, но в нее входит R. Где
же в нашем случае это R?
Действительно, для того чтобы часть энергии электрического
тока превратилась в тепло, надо, чтобы ток встретил на своем пути
сопротивление. Образующие электрический ток электроны, сталкиваясь с
частицами вещества, отдают им свою энергию, увеличивая размах их колебаний
или скорость, а это и есть то, что мы называем нагреванием.
Но в лампе нам не удастся найти сопротивление, пригодное
для выделения в нем тепла. Пространство между катодом и анодом пусто,
электроны пролетают его без столкновений, поэтому тепло в нем не выделяется —
там нет R в его обычном физическом понимании (см. стр. 59). Остается анод.
Анодный ток, безусловно, течет через анод, который представляет собой
определенное электрическое сопротивление.
Но это сопротивление чрезвычайно мало и выделяющееся в нем
тепло ничтожно. В этом легко убедиться на опыте. Анодный ток оконечной лампы
радиоприемника, такой, например, как 6ПЗС, составляет около 50 миллиампер.
Возьмите негодную лампу 6ПЗС, разбейте ее баллон, выньте анод и включите его
в цепь, в которой будет поддерживаться ток 50 миллиампер. Вы увидите, что анод
совершенно не нагреется.
Этот результат легко подтвердить вычислением.
Сопротивление анода оконечной лампы равно примерно 0,01 ома, анодный ток —
около 0,05 ампера. Из приведенной выше формулы Ленца—Джоуля следует,
что в течение секунды при таком токе на аноде выделится 0,000006 калории.
Надо в течение 46 часов поддерживать ток 50 миллиампер, чтобы на аноде
выделилось такое
количество тепла, какое нужно для нагрева одного
кубического сантиметра воды на один градус. Поэтому о сколько-нибудь заметном
нагревании анода анодным током говорить не приходится.
А все-таки анод нагревается. И нагревается очень сильно. В
чем же тут дело?
Электронная лампа — прибор не обычного порядка. Мы у}$е
говорили о том, что сопротивление лампы не является сопротивлением в его
общепринятом толковании. Точно так же обстоит дело и с нагреванием анода.
Анод нагревается анодным током, но это не то обычное нагревание, какое
производит ток, проходя по проводнику. Анод нагревается в результате резкого
торможения электронов.
Электроны несутся в пространстве катод—анод со скоростью,
измеряемой тысячами километров в секунду. Достигнув анода, они продолжают
движение в нем, но уже со скоростью, измеряемой миллиметрами в секунду. На
поверхности анода происходит резкое торможение электронов, электроны
ударяются о частицы материала анода и отдают им свою энергию движения.
Кинетическая энергия превращается в тепловую, сообщаясь аноду и нагревая его.
С таким нагревом ударами мы часто встречаемся в жизни.
Возьмите молоток и сильно ударьте им несколько раз по куску металла — металл
заметно нагреется. Так и электроны, в несметном количестве ударяясь об анод,
нагревают его.
Разумеется, по сути дела в этом случае «механизм»
нагревания такой же, как и при прохождении тока через сопротивление: электроны,
сталкиваясь с частицами вещества, отдают им свою энергию. Но вследствие
большей скорости электронов тепла выделится гораздо больше.
В результате электронной бомбардировки аноды ламп
нагреваются. Это опасно в двух отношениях. Во-впервых, при слишком высокой
температуре анода из металла может начать выделяться газ. Во-вторых, нагрев
анода создает дополнительный нагрев катода. Для оксидных катодов, работающих
при сравнительно низкой температуре, это может оказаться губительным, потому
что оксидные катоды при перегреве теряют эмиссию. :
Как можно уменьшить нагрев анода?
Самый простой способ — увеличить поверхность анода, с тем,
чтобы на каждый его квадратный сантиметр приходилась меньшая мощность
рассеяния. Но этот способ связа»- с увеличением общих размеров лампы, что
удорожает ее, увеличивает размеры аппаратуры и затрудняет обращение с ней.
Чтобы понизить температуру анода, не увеличивая его
размеров, надо найти возможность отводить выделяющееся на нем тепло.
Поскольку анод находится в вакууме, осуществить отвод тепла можно только
лучеиспусканием.
Из физики известно, что наилучшим лучеиспусканием обладают
черные тела. Эта особенность и использована для охлаждения анодов. Опыты
показали, что черненые аноды нагреваются значительно меньше нечерненых,
выполненных из такого же материала.
Аноды приемно-усилительных ламп делаются из никеля.
Существует несколько способов чернения никеля. Лучшие результаты в отношении
лучеиспускания дает карбонизация — нанесение на поверхность никеля тонкого
слоя углерода, осуществляемое путем отжига никеля в парах бензола и водорода.
Карбонизированный анод выдерживает в 4—5 раз большую
мощность, чем некарбонизированный. Применение таких анодов позволило
значительно уменьшить размеры оконечных ламп. У малогабаритных ламп, имеющих
электроды малых размеров, приходится чернить аноды не только оконечных, но и
всех вообще ламп.
Каждому радиолюбителю не раз приходилось обжигать руки о
баллоны ламп, в особенности оконечных и кенотронов. Эти лампы нагреваются
так, что шипят, как утюг, если к ним прикоснуться мокрым пальцем.
Понятно, почему нагреваются катоды. Их нагревает ток
накала и дополнительно несколько подогревает анодный ток. Аноды ламп греются
в результате электронной бомбардировки (см. стр. 75).
Но почему же греются баллоны? Правда, внутри баллона
находятся раскаленный катод и очень горячий анод, но ведь из пространства,
отделяющего их от баллона, выкачан воздух, там нет проводника тепла. Если в
термос налить кипяток, то его наружные стенки остаются холодными. Объясняется
это тем, что стенки у термоса двойные и из пространства между ними выкачан
воздух. Почему же те свойства вакуума, которые содействуют теплоизоляции в
термосе, вдруг перестают действовать в электронной лампе?
Нагрев баллонов электронных ламп происходит вследствие
того, что катод и анод охлаждаются путем теплоизлучения, т. е. излучения
инфракрасных лучей. Через вакуум эти лучи проходят совершенно
беспрепятственно, но стекло баллона в значительной степени поглощает их и
поэтому нагревается. Таковы свойства стекла: оно прозрачно для видимых
световых волн, но много менее прозрачно для более длинных и более коротких
волн— инфракрасных и ультрафиолетовых. Металл совсем не прозрачен для
инфракрасных лучей, поэтому металлические баллоны нагреваются еще сильнее
стеклянных.
Ну, а как же обстоит дело с термосом? В термосе тоже есть
нагретое тело (кипяток), есть вакуум и стеклянный баллон.
«Противоречия» здесь только кажущиеся. Излучение
инфракрасных лучей с повышением температуры резко возрастает (пропорционально
пятой степени температуры: t5). Стоградусный кипяток излучает во много раз
меньше, чем катод, нагретый до 800°С, или анод, нагревающийся зачастую до
нескольких сот градусов. Кроме того, в термосе приняты все меры для
уменьшения излучения. Его внутренняя стенка белая, т. "е. излучает
слабо, тогда как катоды бывают темные, а аноды специально чернят для
увеличения излучения. Внутренняя сторона внешней стенки баллона термоса
покрыта зеркальным слоем, отражающим излучение содержимого термоса, обратно.
Поэтому внешняя стенка термоса почти совсем не нагревается и термос долго
сохраняет тепло.
Если снять заднюю стенку работающего приемника, то нередко
можно увидеть красивое зрелище — свечение анода, а иногда и баллона лампы
голубым светом. По своему характеру оно напоминает красное свечение
электродов неоновых ламп. У неоновых ламп электроды как бы покрыты «слоем»
красного света толщиной 1—2 мм. Такой же светящийся «слой» образуется и у
электродов оконечных ламп радиоприемников, только он кажется несколько более
тонким, часто бывает несплошным, образуя пятна различной величины и формы, и
окрашен в очень красивый голубой цвет.
Светящийся «слой» нестабилен. Он пульсирует в такт со
звуками радиопередачи.
Среди радиолюбителей и радиослушателей широко
распространено убеждение, что это свечение обусловлено наличием в баллоне
лампы газа. Поэтому свечение считают признаком брака лампы.
На самом деле такое свечение объясняется не присутствием в
лампе остатков газа, а люминесценцией, т. е. тем же физическим явлением, которое
вызывает свече- кие экрана электроннолучевых трубок, оптического индикатора
надстройки и т. п. Одинакова и причина возникновения люминесценции —
бомбардировка потоками электронов. Электроны, с силой ударяясь о молекулы
люминесцирующего вещества, приводят их в «возбужденное» состояние,
которое-выражается в том, что один из электронов атома перескакивает со своей
орбиты (оболочки) на другую, характеризующуюся большим энергетическим
уровнем. Возвращаясь на свою орбиту, электрон выделяет излишек энергии в виде
излучения фотона, или светового кванта — мельчайшей «частицы» света.
|