1. Электрический ток в вакууме
Вакуум [1] – это такое состояние, когда молекулы газа пролетают от одной стенки сосуда до другой, не сталкиваясь друг с другом, т.е. концентрация газа в сосуде чрезвычайно мала и, соответственно, очень мало его давление.
Электрический ток – это упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. В металлах – электронов, в электролитах – ионов, в газах – ионов и электронов.
Как создать электрический ток в вакууме, где нет свободных носителей заряда? Самый простой способ: поместить в сосуд, из которого откачан воздух, разогретый до высокой температуры металл. С поверхности нагретого металла вылетают свободные электроны – это физическое явление называется термоэлектронной эмиссией. Вылетая с поверхности металла, электроны «уносят» с собой отрицательный заряд, а сам металл при этом заряжается положительно. Возникает электрическое поле, которое «удерживает» вылетевшие электроны вблизи поверхности – образуется «электронное облако». Часть электронов под действием электрического поля снова возвращается в металл, другие снова вылетают и т.д. При постоянной температуре металла устанавливается так называемое динамическое равновесие и концентрация электронов в облаке остается постоянной. При повышении температуры металла концентрация возрастает, при понижении – уменьшается.
Далее в сосуд нужно вставить еще один электрод и соединить его с положительным полюсом источника высокого напряжения – это будет АНОД, а подогреваемый электрод соединить с отрицательным полюсом – это КАТОД. Между катодом и анодом возникнет  электрическое поле, которое сможет «вырвать» свободные электроны из облака вблизи катода и направить их к аноду: в вакууме возникнет электрический ток.
Именно так устроена и работает простейшая двухэлектродная электронная лампа – диод (рис. 1).

 

2. Немного истории
Изобретение электронной лампы напрямую связано с развитием техники освещения. В начале 80?х годов XIX века знаменитый американский изобретатель Эдисон занимался усовершенствованием лампы накаливания. Одним из ее недостатков было постепенное уменьшение световой отдачи из-за потускнения баллона вследствие появления темного пятна на внутренней стороне стекла. Исследуя в 1883 году причины этого эффекта, Эдисон заметил, что часто на потускневшем стекле баллона в плоскости петли нити оставалась светлая, почти незатемненная полоса, причем полоса эта всегда оказывалась с той стороны лампы, где находился положительный [2] ввод накальной цепи. Дело выглядело так, будто часть угольной нити накала, примыкающая к отрицательному вводу, испускала из себя мельчайшие материальные частицы. Пролетая мимо положительной стороны нити, они покрывали внутреннюю сторону стеклянного баллона всюду, за исключением той линии на поверхности стекла, которая как бы заслонялась положительной стороной нити. Картина этого явления стала более очевидна, когда Эдисон ввел внутрь стеклянного баллона небольшую металлическую пластину, расположив ее между вводами нити накала. Соединив эту пластинку через гальванометр с положительным электродом нити, можно было наблюдать текущий через пространство внутри баллона электрический ток.
Эдисон предположил, что поток угольных частичек, испускаемых отрицательной стороной нити, делает часть пути между нитью и введенной им пластинкой проводящим, и установил, что поток этот пропорционален степени накала нити, или, другими словами, световой мощи самой лампы. На этом, собственно, и заканчивается исследование Эдисона. Американский изобретатель не мог тогда и представить, на пороге какого величайшего научного открытия он стоял.

3. Электронная лампа-диод
Прошло почти 20 лет, прежде чем наблюдавшееся Эдисоном явление получило свое правильное всестороннее объяснение.
Оказалось, что при сильном нагревании нити лампы, помещенной в вакуум, она начинает испускать в окружающее пространство электроны. Этот процесс получил название термоэлектронной эмиссии, и его можно рассматривать как испарение электронов из материала нити. Мысль о возможности практического использования «эффекта Эдисона» впервые пришла в голову английскому ученому Флемингу, который в 1904 году создал основанный на этом принципе детектор, получивший название «двухэлектродной трубки», или «диода» Флеминга.
Лампа Флеминга представляла собой обычный стеклянный баллон, заполненный разреженным газом. Внутри баллона помещалась нить накала вместе с охватывавшим ее металлическим цилиндром. Нагретый электрод лампы непрерывно испускал электроны, которые образовывали вокруг него «электронное облако». Чем выше была температура электрода, тем выше оказывалась плотность электронного облака. При подключении электродов лампы к источнику тока между ними возникало электрическое поле. Если положительный полюс источника соединяли с холодным электродом (анодом), а отрицательный — с нагретым (катодом), то под действием электрического поля электроны частично покидали электронное облако и устремлялись к холодному электроду. Таким образом, между катодом и анодом устанавливался электрический ток. При противоположном включении источника отрицательно заряженный анод отталкивал от себя электроны, а положительно заряженный катод — притягивал. В этом случае электрического тока не возникало. То есть диод Флеминга обладал ярко выраженной односторонней проводимостью. Будучи включенной в приемную схему, лампа действовала подобно выпрямителю, пропуская ток в одном направлении и не пропуская в обратном, и могла служить, таким образом, волноуказателем — детектором.

 

Рис. 4: применение двухэлектродной лампы с катодом прямого накала [3] в качестве детектора простейшего радиоприемника:

VL1 – лампа-диод
GB1 – накальная батарея
L1C1 – входной колебательный контур
BF1 – высокоомные головные телефоны

Рис. 5: применение двухэлектродной лампы с катодом прямого накала в блоке питания для преобразования переменного тока в постоянный:
Т1 – трансформатор, преобразующий 220В в напряжение накала катода (5-6В) и высокое напряжение ~U для питания «анодных» цепей радиоконструкции
VL1 – лампа-диод (кенотрон)
С1, С2, L1 – сглаживающий фильтр

4. Электронная лампа-триод
Электронная лампа, имеющая три электрода, называется три­одом.
Триод отличается от диода тем, что между его катодом и анодом находится третий электрод, выполненный в виде проволочной спи­рали, который называется сеткой (рис. 6).
По своему расположению сетка мешает или помогает электро­нам, вылетевшим с катода, достигнуть анода. Между сеткой и като­дом включается напряжение, которое называется сеточным напря­жением Uc.
Когда напряжение на сетке триода равно нулю,лампа работает как диод (рис. 7а). Приложенное между сеткой и катодом напряжение Uссоздает дополнительное электрическое поле, воз­действующее на летящие от катода к аноду электроны. Если это напряжение отрицательно, то вылетающие из катода электроны оказываются под действием притягивающей силы положительно заряженного анода и отталкивающей силы отрицательно заря­женной сетки. Если отрицательное напряжение на сетке мало, то ее отталкивающая сила, действующая на электроны, невелика, поэтому сравнительно большая часть электронов пролетает через сетку к аноду.
Однако с увеличением отрицательного напряжения на сетке от­талкивающая сила электрического поля, действующая на электроны, возрастает. Вследствие этого сквозь сетку к аноду пролетает меньшее число электронов и анодный ток уменьшается. Роль отри­цательно заряженной сетки подобна роли регулируемого сопротивления в электрической цепи.
При некотором значении отрицательного напряжения на сетке величина ее отталкивающей силы становится настолько большой, что ни один электрон не в состоянии пролететь сквозь сетку к ано­ду; анодный ток становится равным нулю. В этих условиях лампа «заперта» (рис. 7б).
Если к сетке приложить не отрицательное, а положительное напряжение,то на электроны будут действовать две оди­наково направленные силы: электрического поля анода и положи­тельного заряда сетки. Большая часть электронов, пролетевших сквозь сетку, достигнет анода, но значительная часть их притянется на сетку и образует сеточный ток (рис. 7в). Этот ток весьма нежелателен, так как он вызывает вредный нагрев сетки и уменьшает силу анод­ного тока. По этим причинам в большинстве электронных устройств во время работы триода потенциал сетки должен оставаться отри­цательным.
Сетка находится ближе к катоду, чем анод; поэтому изменение напряжения на ней значительно сильнее влияет на величину анод­ного тока, чем такое же изменение напряжения на аноде. Это позво­ляет путем небольшого изменения сеточного напряжения Ucзначи­тельно изменять силу анодного тока.
Таким образом, посредством изменения напряжения, подавае­мого на сетку, можно управлять силой тока в анодной цепи лампы. Поэтому сетку называют управляющей.

5. Электронная лампа-усилитель
Из вышесказанного следует простая вещь: если напряжение на сетке будет меняться пропорционально звуковой частоте, то и анодный ток будет меняться аналогично (рис. 8). Изменение мощности выходного сигнала (на аноде) значительно превысит мощность входного или управляющего сигнала (на сетке). Таким образом произойдёт усиление (в данном случае) звукового сигнала, а в качестве усилителя работает электронная лампа-триод.
Кстати, первую электронную лампу именно такого типа создал американский изобретатель Ли де Форест в 1906 году. Триод тогда называли «аудин». Де Форест является одним из отцов «века электроники», потому что его триод помог открыть дорогу широкому использованию электроники.

Один из основателей квантовой механики Луи де Бройль сказал в 1956 году:
«...Это великое открытие сослужило службу не только технике. И не только, подчеркнём это, анализу работы устройств такого рода, не только всё более глубокому изучению динамики электронов. Оно оказало неоценимую услугу электронике как науке и значительно способствовало её развитию; кроме того, оно предоставило всем работникам лабораторий во всех отраслях науки приборы, ставшие сегодня необходимыми вспомогательными средствами в их исследованиях. Таким образом, это великое изобретение, независимо от его бесчисленных технических применений, стало одним из крупнейших факторов прогресса чистой науки в течение последнего полувека. / Сказанного, на мой взгляд, достаточно, для того чтобы понять, почему не только инженеры и техники, но также физики и специалисты всех отраслей науки должны сегодня все вместе выразить Ли де Форесту своё почтение, а также свою признательность и своё восхищение».

  Аудин Ли де Фореста

Ли де Форест со своим главным изобретением

На рис. 9 представлена схема реального УНЧ [4]
± 150-170 В – постоянное анодное напряжение
~ 6,3 В питание нити накала для подогрева катода
BF1 – высокоомные головные телефоны
Сигнал подается с пьезоэлектрического звукоснимателя электропроигрывателя.

 

VL1 типа 6С5С лампа-триод отечественного производства (рис. 10) с подогреваемым катодом [5]. Можно заменить на аналогичную – 6С2С (рис. 11).

На триоде можно собрать простейший приемник (рис. 12), где электронная лампа выполняет функции усиления высокой частоты.

L1 – катушка приемного контура:
провод ПЭЛ или ПЭВ диаметром 0,15-0,2 мм, 70-80 витков;
ферритовый стержень диаметром 8-10 мм и длиной 70-100 мм;
катушка наматывается на бумажную гильзу длиной 30 мм виток к витку.
С1 – любой конденсатор переменной емкости, например, 5-500 пФ от старого радиоприемника.
6. Многоэлектродные электронные ламы

Лампы-триоды просты и эффективны при работе на низких частотах. На высоких частотах начинают проявляться их недостатки, например, наличие внутренней ёмкости между сеткой и анодом. Конденсатор обладает реактивным сопротивлением, величина которого зависит от частоты. Для снижения влияния этой ёмкости в лампу ввели ещё одну сетку – получился тетрод (рис.13 а), электронная лампа с четырьмя электродами.
Но и в этом случае возникают проблемы, связанные с выбиванием из анода «вторичных» электронов [6], которые притягиваются сеткой, тем самым уменьшая анодный ток. Для устранения этого эффекта в лампу ввели 5-й электрод – получилась электронная лампа-пентод (рис 13 б).

Обозначения:
А – анод, К – катод, УС – управляющая сетка (на неё подается сигнал), ЭС – экранирующая сетка (уменьшает влияние внутренней ёмкости между А и К), ПДС – противодинатронная сетка.
В некоторых лампах ПДС соединяют с К прямо внутри баллона (рис. 13 в). Такие электронные лампы получили название лучевых тетродов.

Многоэлектродные лампы или просто радиолампы получили широчайшее распространение в первой половине ХХ века. Вся радиоаппаратура (промышленная, научная, домашняя) была построена на них.
Приведу несколько фотографий радиоламп из моей коллекции.

Двуханодный кенотрон [7] 5Ц4С                                  Триод 6С2С
(двойной диод)

Пентод 6Ж8                            Лучевой тетрод 6П3С            Октальный (8-и штырьковый)цоколь этих ламп

Дальнейшее развитие технологий изготовления радиоламп привело, во-первых, к уменьшению их габаритов и, следовательно, к уменьшению энергопотребления. Кроме того, появилось довольно много так называемых «комбинированных» ламп. В одном баллоне комбинированной лампы конструктивно были выполнены две лампы, например: 6Н2П – двойной триод, 6Ф5П – триод-пентод.

Лампы такого типа представляли собой стеклянный баллон с вплавленными в него выводами – пальчиками. Отсюда и их общее название – пальчиковые радиолампы (фото справа).
Следует отметить также, что наряду с радиолампами широкого использования выпускались и специализированные, например, генераторные (фото внизу).

Примеры использования электронных ламп
1. Радиоприёмники

2. Электропроигрыватели

3. Магнитофоны

4. Телевизоры

5. Радиостанции

6. ЭВМ

В настоящее время ламповая аппаратура снова «в моде».
Меломаны, например, высоко ценят «ламповый» звук, который создают современные качественные ламповые усилители:

Некоторые ламповые радиотехнические устройства представлены на сайте «Мои раритеты»
http://www.myrar2011.narod.ru/ --> Радиотехника a Радиолампы

В качестве примеров использования радиоламп я показал, в основном, «древние» аппараты. Создаётся впечатление, что век радиоламп подходит к концу. На самом деле это не совсем так. Я рассказал о наиболее простых радиолампах, но есть ещё магнетроны, клистроны, лампы бегущей волны и т.д.
В мощных радио- и телепередатчиках никакие полупроводниковые приборы не смогут заменить старые добрые радиолампы!

---

ССЫЛКИ:

 [1] Существует понятие «физический вакуум» - абсолютная пустота. Скорее всего, физический вакуум не существует в природе, поскольку даже в глубоком космосе в 1 км3 пространства имеются в наличии несколько атомов водорода.

 [2] Как известно, Эдисон был ярым сторонником широкого применения постоянного тока и всю свою сознательную жизнь выступал против использования переменного тока, т.е. против основных идей Николо Теслы. Мы с вами знаем, кто оказался прав.

 [3] Катод прямого накала – это, например, вольфрамовая спираль, которая нагревается при протекании по ней электрического тока. Причем, какой это ток – переменный или постоянный – значения не имеет.

 [4] УНЧ –усилитель низкой (звуковой) частоты

 [5] Для того, чтобы увеличить термоэлектронную эмиссию, катоды стали делать с подогревом. Нить накала вводится внутрь металлической трубки, поверхность которой покрыта активирующим слоем, который обеспечивает интенсивную эмиссию при сравнительно невысоких температурах (1924 г., А.А. Чернышев – «русский Эдисон»).

 [6] Электроны выбивают с поверхности анода ещё несколько электронов, которые притягиваются экранирующей сеткой и образуют встречный поток, тем самым ослабляя анодный ток. Это называется «динатронным эффектом».

 [7] Кенотронами называли лампы, которые использовались в блоках питания ламповой аппаратуры для преобразования переменного тока в постоянный. Данная лампа имеет два анода и один подогреваемый катод.

http://www.mymus2011.narod.ru/HTMLs/ELECTRON_lamp.html