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Principio di Funzionamento delle Valvole Termoioniche

Indice Argomento Corrente
1) Breve cenno sulla struttura della materia
2) Conduttori, Semiconduttori e Isolanti
3) L’Emissione Elettronica
4) Influenza dei campi elettrici sul moto degli elettroni nel vuoto

Breve cenno sulla struttura della materia

Prendendo un frammento di materia e dividendolo a metà alla fine arriveremo alla molecola che è la più piccola parte di un elemento che ne conserva tutte le caratteristiche.
Dividendo ulteriormente la molecola (ammesso che sia possibile in quanto composta da più atomi) otterremo i mattoni costituenti della stessa, nel caso per esempio dell'acqua otterremo un atomo di ossigeno e due di idrogeno.
Riassumendo l'atomo è la struttura nella quale è normalmente organizzata la materia in natura.
Più atomi formano le molecole.

Schematizzazione Atomo di Bohr

Banalizzando, la materia che ci circonda è composta da Atomi i quali a loro volta sono composti da Neutroni, Protoni ed Elettroni.
E' possibile scomporre anche questi tre componenti dell'atomo ma va aldilà dello scopo della trattazione che ci interessa e lo trascureremo.
Neutroni e Protoni compongono il nucleo mentre gli Elettroni girano attorno al nucleo (modello atomico proposto da Niels Bohr nel 1913).
I protoni hanno carica positiva, i neutroni neutra e gli elettroni negativa.
In natura esistono 92 tipi diversi di atomi (ho scritto “in natura” perché altri possono essere “fabbricati” dall’uomo, vedi elementi transuranici), che aggregati fra loro formano miliardi di diversi tipi di molecole e costituiscono tutta la materia esistente.
Gli atomi sono caratterizzati da un numero atomico che e’ il numero di protoni presenti in ogni atomo e da un peso atomico che è la somma dei neutroni e dei protoni (con una piccola approssimazione dovuta al fatto che la massa dei neutroni e protoni è leggermente diversa) presenti nel nucleo atomico.
A sinistra: Rappresentazione di un atomo secondo il modello atomico proposto da Niels Bohr nel 1913.

L’atomo è elettricamente neutro, quindi è chiaro che la carica positiva dei protoni e quella negativa degli elettroni si bilanciano, quindi elettroni e protoni sono in numero uguale.
Tuttavia, vi è la possibilità che un atomo perda o acquisisca un elettrone e in tal caso perde la propria carica neutra e si trasforma in uno ione.
Scendendo nel dettaglio, se un atomo perde uno o più elettroni diventa uno ione positivo e in caso opposto negativo. Gli elettroni ruotano attorno al nucleo e sono disposti attorno a quest’ultimo su orbite diverse.
Dal punto di vista del comportamento elettrico degli elementi a noi interessa l’orbita più esterna degli elettroni.
Nei materiali conduttori gli elettroni dell’orbita più esterna possono fuggire e trasformarsi in elettroni liberi all’interno della materia.
In tal caso la sostanza è un conduttore di elettricità in quanto i suoi elettroni liberi sotto l’influenza di un campo elettrico si possono muovere liberamente dando luogo ad una corrente elettrica.

Conduttori, Semiconduttori e Isolanti

Normalmente, dal punto di vista della conduttività elettrica le sostanze si dividono in tre categorie :

Discorso a parte meritano le soluzioni saline nelle quali vi è un sale disciolto in acqua.
In questo caso la corrente è dovuta al movimento degli ioni prodotti dai componenti del sale che si scinde in soluzione nell'acqua.

L’Emissione Elettronica

Normalmente gli elettroni liberi all’interno di un conduttore sono liberi di muoversi all’interno di esso, ma non possono uscire dalla superficie stessa del conduttore in quanto non hanno abbastanza energia.
Se noi apportiamo dall’esterno energia gli elettroni acquisiscono abbastanza energia da fuoriuscire dalla superficie del conduttore, e se lo stesso si trova nel vuoto, possono produrvi attorno una nube.
E’ da notare che non sottoposti a nessun campo elettrico esterno gli elettroni rimangono in prossimità del catodo in virtù del fatto che questo avendo perso elettroni ha un potenziale positivo rispetto all’elettrone.
Gli elettroni emessi creano una carica spaziale negativa attorno al catodo rendendo più difficile la fuoriuscita di altri elettroni che vengono respinti verso il catodo, raggiungendo in questo modo un equilibrio.

L’emissione di elettroni è proporzionale all’energia che si cede.
Per provocare una emissione di elettroni vi sono diversi modi:

1. Riscaldamento: Nel caso delle valvole si usa questo metodo ovvero il riscaldamento del catodo (emissione Termoionica).
Il fenomeno della fuoriuscita degli elettroni si inibisce automaticamente in quanto gli elettroni fuoriusciti formano una nube elettronica che essendo appunto costituita da elettroni ha potenziale negativo e, quindi, respinge indietro altri eventuali elettroni che cercassero di fuoriuscire.
Quindi il fenomeno si stabilizza.

2. Bombardamento con fotoni: Sottoponendo alcune sostanze alla luce queste emettono elettroni (era il principio che si sfruttava nei vecchi tubi di ripresa prima dell’avvento dei CCD) in misura proporzionale all’energia della luce (che è inversamente proporzionale alla lunghezza d’onda della stessa).
Il principio prende il nome di fotoemissione.

3. Bombardamento con elettroni: Se una sostanza viene sottoposta al bombardamento di elettroni a sua volta emette elettroni, in proporzione all’energia cinetica posseduta dagli elettroni che hanno operato il bombardamento. Questo fenomeno si sfruttava in dispositivi detti moltiplicatori elettronici.

4. Campo elettrico: Sottoponendo gli atomi di una sostanza ad un forte campo elettrico di potenziale positivo gli elettroni sono attratti e vengono strappati dalla sostanza.

Nube elettronica attorno al catodo

In una valvola termoionica l'elettrodo che produce elettroni viene chiamato catodo.

Rappresentazione della densità della nube elettronica attorno al catodo (in nero).
Per avere una raffigurazione del fenomeno si può pensare all’ebollizione di un liquido.
La densità degli elettroni decresce allontanandosi dal catodo, mentre è massima in prossimità.
La nuvola di elettroni presenti attorno al catodo costituisce quella che viene chiamata "carica spaziale", una regione dello spazio di carica elettrica negativa (perché ovviamente satura di elettroni) che evita la fuoriuscita di altri elettroni per repulsione elettrostatica.
La capacità del catodo di emettere elettroni è legata al tipo di materiale impiegato ed è direttamente proporzionale alla superficie del catodo e alla sua temperatura.

Nella figura sopra è rappresentato un catodo a riscaldamento indiretto visto in sezione longitudinale, praticamente il catodo è costituito da un tubetto che costituisce il catodo vero e proprio, l'elemento della valvola che emette elettroni, all'interno del quale vi è un filamento, la parte che percorsa da corrente diventa incandescente e riscalda per conduzione il catodo, fra il filamento e il tubetto vi è uno strato di ceramica che funge da isolante.
Quindi in un catodo a riscaldamento indiretto il filamento e il catodo sono elettricamente isolati.

Influenza dei campi elettrici sul moto degli elettroni nel vuoto.

Gli elettroni emessi dal catodo vengono poi manipolati da campi elettrici tramite vari elettrodi posti sul loro cammino chiamati griglie (per via della forma che normalmente hanno), nel caso della valvola termoionica o campi magnetici prodotti da bobine nel caso del tubo a raggi catodici a deflessione magnetica.
Per poi giungere all'anodo dove vengono catturati.

Influenza del campo elettrico sul moto degli elettroni nel vuoto

Gli elettroni, una volta emessi dal catodi sono sottoposti a diversi campi elettrici che ne condizionano il comportamento.
L’elettrone in virtù della sua carica negativa viene attirato da un polo positivo (anodo) e respinto da un polo negativo (catodo).
L’elettrone sottoposto ad un campo elettrico si muove di moto uniformemente accelerato verso l’anodo dove alla fine va a sbattere e tutta l’energia che accumula durante la corsa la ritroviamo all’anodo sotto forma di calore (ricordiamo che l'elettrone ha massa non nulla, quindi l'energia cinetica che trasferisce all'anodo è data da E= mvv/2 ovvero la massa moltiplicata per la velocità al quadrato fratto due).
Se l’elettrone ha sufficiente energia si prospetta l’ipotesi vista in precedenza dell’emissione da parte dell’anodo di elettroni per bombardamento, i quali vengono a loro volta attratti dall’anodo.

Come è visibile dalla figura un elettrone immerso in un campo elettrico viene attratto dall’elettrodo a potenziale positivo e respinto dall’elettrodo avente potenziale negativo, si muove quindi dal catodo verso l’anodo di moto rettilineo uniformemente accellerato.

Interazione fra campi elettrici e influenza sul moto degli elettroni Principio funzionamento Cinescopio

Con riferimento alla immagini sopra, se i campi elettrici sono più di uno l’elettrone è soggetto alla risultante vettoriale del campi elettrici.
Dove “e” è l’elettrone, f1 ed f2 sono le forze che agiscono su “e”, e sono direttamente proporzionali ai due campi elettrici e inversamente proporzionali alla distanza fra le placche a cui è applicato il campo elettrico.
Questo tipo di interazione fra campi elettrici è sfruttata nei cinescopi a deflessione elettrica (vedi oscilloscopi) in cui due elettrodi servono per la deflessione orizzontale e due per la deflessione verticale.
Con la combinazione dei campi elettrici delle quattro placchette di deflessione è possibile deviare il flusso di elettroni in qualsivoglia zona dello schermo.

Struttura di una valvola

Proiezione ortogonale della struttura di una valvola con le relative geometrie, a scopo indicativo, degli elettrodi.
E' possibile in questo modo capire che l'amplificazione in una valvola è data dalla geometria stessa degli elettrodi.
La griglia è in prossimità del catodo, quindi la sua influenza sul moto degli elettroni è particolarmente efficace.
Più la griglia è vicina al catodo e più è grande l'influsso della stessa sul moto degli elettroni, quindi più grande è l'amplificazione della valvola.
Per avere un modello di questo comportamento senza tirare in ballo la teoria dei campi di Gauss basta valutare che l'energia degli elettroni appena partiti dal catodo e in marcia verso l'anodo per quello che abbiamo già precedentemente detto è molto bassa, quindi è più facile influenzarne il moto.
Il limite è che con il diminuire della distanza aumenta il riscaldamento della stessa per effetto del calore del catodo con deformazioni meccaniche dovute alla dilatazione del metallo che rendono instabile il comportamento della valvola.

Considerazioni finali sui principi di funzionamento delle valvole termoioniche

Come avete potuto appurare il principio di funzionamento di questo componente è veramente semplice da capire.
Molto più semplice dei fenomeni fisici che giustificano il comportamento dei componenti a semiconduttore.
Le complicazioni subentrano poi per fare in modo che la valvola funzioni in modo duraturo e nel migliore dei modi e sono complicazioni di ordine meccanico e costruttivo.

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