لوله های خلاء که زمانی در خط مقدم فناوری قرار داشتند، نقشی اساسی در توسعه الکترونیک اولیه از جمله رادیو، تلویزیون و آغاز عصر کامپیوتر داشتند. درک اصول لوله های خلاء نه تنها نگاهی اجمالی به فناوری تاریخی به ما می دهد، بلکه اصول اولیه الکترونیک و فیزیک مدرن، به ویژه مفهوم خلاء و جریان الکترون را نیز روشن می کند.
لوله خلاء که به عنوان شیر ترمیونیک نیز شناخته می شود، وسیله ای است که جریان الکتریکی را در خلاء زیاد بین الکترودهایی که اختلاف پتانسیل الکتریکی روی آن اعمال شده است، کنترل می کند. ساده ترین شکل لوله خلاء از دو الکترود تشکیل شده است: یک کاتد و یک آند (یا صفحه)، محصور در یک محفظه شیشه ای یا فلزی تخلیه شده.
کاتد: کاتد یک الکترود گرم شده است. هنگامی که تا دمای بالا گرم می شود، از طریق فرآیندی به نام انتشار ترمیونی، الکترون آزاد می کند. این به این دلیل است که گرم کردن کاتد انرژی کافی برای غلبه بر عملکرد کار، یعنی حداقل مقدار انرژی مورد نیاز برای حذف یک الکترون از سطح فلز، به الکترون ها می دهد.
تابع کار ( \( \phi \) ) را می توان به صورت زیر بیان کرد: \( \phi = h \nu_0 \) که \(h\) ثابت پلانک و \(\nu_0\) فرکانس جهش الکترون است.
آند (صفحه): آند الکترود با بار مثبت است که الکترون های ساطع شده از کاتد را جذب می کند. هنگامی که اختلاف پتانسیل الکتریکی بین آند و کاتد اعمال می شود، الکترون ها از خلاء از کاتد به آند عبور می کنند، بنابراین جریان را از طریق لوله عبور می دهند.
خلاء: عدم وجود هوا یا هر ماده ای در محفظه تضمین می کند که الکترون ها می توانند از کاتد به آند بدون برخورد با مولکول های هوا حرکت کنند. این شرایط خلاء چیزی است که به لوله خلاء نام می دهد و برای عملکرد آن بسیار مهم است.
در حالی که لوله خلاء اصلی دارای دو الکترود است، لوله های پیچیده تری برای انجام عملکردهای مختلف توسعه یافته اند:
علیرغم اینکه تا حد زیادی توسط دستگاه های حالت جامد مانند ترانزیستورها جایگزین شده اند، لوله های خلاء به دلیل ویژگی های منحصر به فرد خود هنوز در مناطق خاصی کاربرد دارند:
برای درک بهتر عملکرد لوله های خلاء، بیایید تریود را بررسی کنیم که مفهوم تقویت سیگنال را معرفی می کند:
توانایی تریود در تقویت سیگنال ها ارتباطات الکترونیکی را متحول کرد و امکان پخش واضح تر رادیویی، توسعه تلویزیون و کامپیوترهای اولیه را فراهم کرد.
عملکرد لوله های خلاء شامل چندین اصل کلیدی فیزیک است:
لوله های خلاء ممکن است مانند یادگارهای گذشته به نظر برسند، اما اصول عملکرد آنها برای حوزه الکترونیک اساسی است و بینش قانع کننده ای از رفتار الکترون ها در خلاء ارائه می دهد. با درک لوله های خلاء، درک عمیق تری از تکامل دستگاه های الکترونیکی و فیزیک زیربنایی حاکم بر عملکرد آنها به دست می آوریم. اگرچه فناوری حالت جامد تا حد زیادی جایگزین لوله‌های خلاء در بیشتر کاربردها شده است، استفاده قدیمی و خاص لوله‌های خلاء همچنان آنها را به موضوعی جذاب برای مطالعه تبدیل می‌کند.
