Tubo de Vácuo / Válvula Termiônica: Como Funciona
Dois conceitos-chave para entender como um tubo de vácuo funciona são a emissão termiônica e a atração e repulsão de carga.
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Tubo de Vácuo / Válvulas Termiônicas Inclui:
Noções Básicas | Como funciona um tubo | Eletrodos de tubo de vácuo | Válvula de diodo / tubo | Triodo | Tetrodo | Tetrodo de Feixe | Pentodo | Equivalentes | Conexões de pinos | Sistemas de numeração | Soquetes / bases de válvulas | Tubo de onda viajante
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A teoria por trás do funcionamento de um tubo de vácuo é baseada em um conceito conhecido como emissão termiônica que foi observado logo após a invenção da lâmpada incandescente.
Além disso, os conceitos, incluindo a atração e repulsão de cargas opostas e semelhantes, desempenham um papel importante na operação de tubos de vácuo/válvulas termiônicas.
Entender esses conceitos fornece a base por trás da compreensão de como funciona um tubo de vácuo. Embora esses componentes eletrônicos possam parecer bastante antiquados no mundo dominado por semicondutores de hoje, esses dispositivos às vezes ainda são usados e a tecnologia ainda pode ser relevante no mundo de hoje.
Válvulas ou tubos ainda são usados em vários projetos de circuitos eletrônicos. Os amplificadores de válvula para áudio ainda são preferidos por alguns entusiastas de áudio e ainda são usados em várias aplicações industriais, bem como em vários transmissores de transmissão herdados de alta potência.
Emissão termionica
O primeiro conceito necessário para entender como um tubo de vácuo funciona é o da emissão termiônica, pois está no centro da tecnologia de válvula termiônica/ajuste de vácuo.
A condutividade elétrica dos metais resulta do fato de que existem elétrons livres movendo-se ao redor do material e não ligados a nenhuma molécula definida.
Embora existam números equivalentes de lacunas para que a carga geral permaneça equilibrada, esses elétrons circulam livremente pelo material.
Se esses elétrons devem deixar a superfície do material, é necessário trabalho para superar a atração dentro do material.
A energia necessária para superar as forças que mantêm os elétrons dentro do material pode ser fornecida de várias maneiras. Uma delas é aquecer o material e assim os elétrons recebem energia cinética adicional.
A uma temperatura suficientemente alta, alguns elétrons terão energia cinética suficiente para escapar da superfície do material. Esta é a emissão termiônica de elétrons, e é este fenômeno que está no cerne de como um tubo de vácuo funciona.
O processo de emissão termiônica de um material tem muitas semelhanças com a evaporação da superfície de um líquido. No caso de moléculas em um líquido, as que escapam e evaporam têm energia suficiente para escapar das forças de retreinamento do líquido, e o número que escapa aumenta com o aumento da temperatura.
Pode ser considerado essencialmente como o mesmo processo no qual a energia que o elétron deve ceder corresponde ao calor latente de vaporização em um líquido.
Emissão de elétrons
Ao observar como um tubo de vácuo funciona, também é necessário considerar a eficácia da maneira como os elétrons escapam da superfície.
O número de elétrons emitidos do material aquecido por unidade de área está relacionado à temperatura absoluta, bem como a uma constante ‘b’ que é uma constante que indica o trabalho que um elétron precisa fazer para escapar da superfície.
Como resultado, é possível derivar uma equação para a corrente que sai da superfície:
I = corrente medida em Amperes
A = uma constante para o tipo de material emissor
T= temperatura em graus Absoluto
b = trabalho necessário para o elétron deixar a superfície
Emissores de elétrons – materiais catódicos
É necessário atingir temperaturas superiores a 500°C, dependendo do material, para que o número de elétrons que saem da superfície do material se torne apreciável. Ao trabalhar com temperaturas desta ordem, limita os materiais que podem ser usados nos cátodos das válvulas.
Existem alguns emissores preferidos que são usados em tubos de vácuo:
- Tungstênio: O tungstênio fornece uma das formas mais robustas de filamento para um tubo de vácuo, especialmente quando são usadas tensões de ânodo muito altas. No entanto, sua desvantagem é que sua eficiência de emissão expressa em termos de emissão de amperes por watt de aquecimento não é tão alta quanto outros emissores como tungstênio thoriated e emissores revestidos de óxido.
- Tungsen thoriated: O tungstênio thoriated é amplamente utilizado em tubos de vácuo e consiste em tungstênio contendo 1 a 2% de óxido de tório. Tubos de vácuo / válvulas termiônicas usando cátodos com este revestimento fornecem emissão de elétrons em temperaturas entre 1500° e 1600°K.Os tubos de vácuo que usam tungstênio toriado devem ter um grau de vácuo muito alto, caso contrário, os íons positivos produzidos pela ionização dos gases no envelope afetarão seriamente a emissão.
- Emissores revestidos de óxido: Os tubos de vácuo que usam esta forma de revestimento de cátodo têm uma camada de uma mistura de óxidos de bário e estrôncio que cobrem a superfície do cátodo. Quando devidamente ativados, eles emitem elétrons profusamente a uma temperatura de cerca de 1100° a 1200°K. Emissores revestidos de óxido são amplamente usados porque emitem mais por watt de aquecimento do que qualquer outro tipo.Uma desvantagem é que a superfície emissora é facilmente envenenada por impurezas. Tubos de vácuo usando revestimentos de óxido são usados para a maioria dos pequenos tubos de vácuo/válvulas termiônicas usando tensões de até alguns milhares de volts.
Embora, normalmente, os tubos de vácuo sejam aquecidos indiretamente nos dias de hoje, esta forma de aquecimento é menos eficiente do que a opção de aquecimento direto. Como resultado, alguns tubos ou válvulas especiais que usam filamentos de tungstênio ou tungstênio toriado às vezes usam técnicas de aquecimento direto.
carga de espaço
Um aspecto importante da teoria do tubo de vácuo é a carga espacial.
Os elétrons que fluem entre o cátodo e o ânodo formam uma nuvem de elétrons e isso é conhecido como “carga espacial”. A carga espacial tende a repelir os elétrons que saem do cátodo, forçando-os a voltar. No entanto, se o potencial aplicado ao ânodo for suficientemente alto, o efeito da carga espacial será superado, de modo que os elétrons fluirão em direção ao ânodo. Desta forma, os elétrons são capazes de se mover através do vácuo dentro do invólucro de vidro do tubo/válvula de vácuo, o circuito é concluído e a corrente flui.
À medida que o potencial aumenta no ânodo, a corrente também aumenta. Eventualmente, um ponto é alcançado onde a mudança de espaço é completamente neutralizada e a emissão máxima do cátodo é atingida. A única maneira pela qual a emissão de elétrons do cátodo pode ser aumentada é aumentando a temperatura do cátodo. Isso aumenta a energia dos elétrons e, como resultado, permite que mais elétrons deixem o cátodo.
Embora todas as áreas de um tubo de vácuo tenham uma carga espacial, é de particular importância na região do cátodo, pois determina os elementos, incluindo a emissão máxima.
À medida que outros eletrodos são adicionados ao envelope evacuado, o conceito de carga espacial pode ser aplicado a toda a área operacional.
O conceito de carga espacial desempenha um papel crucial na determinação do fluxo de corrente em qualquer dispositivo termiônico.
Lei da Child
A Lei de Child, muitas vezes também chamada de Lei de Child-Langmuir, foi proposta pela primeira vez em 1911 e constitui um elemento-chave na válvula termiônica ou teoria do tubo de vácuo e como funciona um tubo de vácuo.
A Lei de Child afirma que a corrente limitada de carga espacial em um diodo de vácuo plano paralelo varia diretamente com as três metades da potência da tensão do ânodo e inversamente com o quadrado da distância d que separa o cátodo e o ânodo.
Onde:
J = densidade de corrente em Ampères por metro quadrado,
Ia = corrente anódica,
S = área de superfície anódica em metros quadrados
Child derivou esta equação aplicável à teoria do tubo de vácuo em 1911 para o caso de íons atômicos. Estes têm proporções muito menores de sua carga para sua massa. Irving Langmuir estendeu a lei básica quando publicou a aplicação às correntes de elétrons em 1913. Isso a estendeu ao caso de cátodos e ânodos cilíndricos. É por esta razão que a lei às vezes é chamada de Lei Child-Langmuir.
A tecnologia de tubo de vácuo / válvula termiônica dominou a eletrônica até a invenção e posterior introdução do transistor nas décadas de 1940 e 50. Foi realmente apenas na década de 1960 que a tecnologia de válvulas/tubos começou a ser deslocada. Embora a tecnologia de válvula/tubo não seja amplamente utilizada atualmente, uma compreensão de como uma válvula/tubo funciona pode ser muito útil em várias situações.
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