Электрический дракон

– Диод работает как раз там, где нужно из переменного тока получить постоянный или близкий к нему ток. Диод пропускает по цепи только ток одного направления – и получается, что ток в цепи с диодом всегда течёт в одну сторону и меняет только свою силу по величине. Для многих устройств, работающих на постоянном токе, этого уже достаточно, чтобы функционировать. Если для каких-то нежных устройств нужен ток, постоянный не только по направлению, но и по силе, то к току применяют дополнительные меры по его выглаживанию.

Триод имеет более сложную задачу – он разрешает слабому току управлять сильными токами. Это очень полезная функция для многих электрических устройств, например радиоприёмников. Летит в пространстве слабенькая электромагнитная волна, попадает на радиоантенну и порождает в ней очень слабый электрический ток. Этот ничтожный ток, переданный на управляющий провод триода, командует течением сильного тока, который колеблет мембрану динамика. В результате действия триода мы слышим человеческую речь или музыку, полученные по радиоволне. Триод-командира можно сравнить со слабым человеком, который открывает и закрывает заслонку на плотине, регулируя сильный поток воды.

Теперь, узнав, насколько эти устройства полезны, давайте узнаем – как они были созданы.

Самым первым диодом стала нагреваемая вакуумная лампа – фактически катодная трубка, в которую входит два провода: катод, который греется специальной электрической спиралькой, и холодный анод. Если электрическое поле направлено так, что катод заряжается отрицательно, а анод – положительно, то такая вакуумная лампа проводит электрический ток: приложенное электрическое поле ускоряет электроны, вылетающие из горячего отрицательного катода, и направляет их к положительному аноду. Если направление поля или тока в цепи переворачивается – анод становится отрицательным, а катод положительным, – то такая вакуумная лампа-диод перестаёт проводить ток: ведь холодный анод практически не выпускает электроны, а электроны, которые выпрыгивают из горячего катода, заворачивают обратно из-за того, что положительный катод их снова притягивает. Катод мог бы излучать положительные ионы металла, из которого он состоит, но те слишком прочно связаны друг с другом и не хотят никого отпускать из своего коллектива.

Принцип действия вакуумной лампы-диода был открыт британским учёным Фредериком Гутри в 1873 году. Но уже в следующем году немецкий физик Карл Браун понял, что в качестве диода можно использовать кристаллы твёрдого тела. Как мы знаем, в таблице Менделеева есть химические элементы – щелочные металлы, – которые с охотой отдают свой единственный электрон на внешней электронной оболочке. Зато другие элементы – как фтор и хлор, – у которых не хватает одного электрона для заполнения внешней электронной оболочки, готовы в любой момент сорвать электрон с верхней одежды, то есть орбиты прохожего атома.

Если взять кристалл кремния, в котором есть примесь химических элементов, любителей воровать чужие электроны, – то в нём всегда будет какое-то избыточное количество электронов. А если кристалл кремния снабдить примесью из элементов, которые легко расстаются со своими электронами, то в нём всегда будет какое-то количество положительно заряженных ионов – или атомов, лишённых электрона. Такие атомы называют «дыркой».

– Конечно, ведь у них дырявые карманы, из которых вываливаются электроны! – развеселилась Галатея.

– Что получится, если вставить в электрическую цепь два соединённых кристалла кремния, которые различаются свойствами своих примесей? Пусть слева будет кристалл с избытком электронов, а справа – кристалл с «дырками». При направлении тока, когда левый электрод заряжен отрицательно, электроны будут двигаться слева направо – к положительному правому электроду, а «дырки» – справа налево, от положительного электрода к отрицательному.

– Постой, мама, – удивилась Галатея. – Как же будут двигаться положительно заряженные атомы? Ведь они встроены в кристаллическую решётку!

– Отличный вопрос! – похвалила Дзинтара дочь. – Тут двигаются не сами атомы, а их признак. Представим себе кинозал, заполненный людьми, в котором есть только несколько пустых мест, которые и будем считать «дырками». Пусть с одного края зала возникла какая-то зона притяжения – например в зал вошёл известный актер. Тогда люди, стараясь быть поближе к зоне притяжения, будут пересаживаться на свободные места. В результате люди будут двигаться в одну сторону, а свободные места начнут смещаться в противоположный конец зала.

– Точно! – восхитилась Галатея. – Значит, люди – это электроны, которые притягиваются положительным зарядом в виде знаменитого актера, а «дырки», наоборот, ведут себя так, словно они отталкиваются этим зарядом, словно они не пустые дырки, а что-то заряженное положительно.

– Молодец! – мать похвалила дочь. – Если направление тока задаёт встречное движение электронов и «дырок» в соединённых кристаллах, то электроны и «дырки» встречаются на границе – и аннигилируют!

– Анни… чего они делают? – переспросила Галатея.