Balbula termoioniko

 

Igorpen termoionikoaren efektua, jatorriz, 1873an Frederick Guthrie-k jakinarazi bazuen ere, Thomas Alva Edisonen ikerketa da gehien aipatzen den lana. Edisonek, erabilerarekin goritasun-lanpararen beira iluntzen ari zela ikusita, efektu hori murrizteko modua bilatu zuen hainbat esperimentu eginez. Horietako bat, lanparako anpoilan plaka formako elektrodo bat sartzea izan zen, elektrikoki polarizatzen zen, itxuraz, harizpitik ateratzen ziren partikulak erakartzeko. Edisonek, maila fisikoan nola funtzionatzen zuen ulertzen ez bazuen ere eta bere aurkikuntzaren potentzialaz jabetu gabe, Edison efektua izenarekin patentatu zuen 1884an.

 

Elektrodo laua (plaka) gehituz, estaltzen duen materialaren atomoen asaldura gertatzen da harizpia berotzen denean, eta balentzia-orbitetan dauden elektroiak bizkortu egiten dira ihes-abiadurak lortuz, eta, horrela, elektroi-hodei bat sortzen da haren gainean. Hodei termoionikoak, plakak biziki erakarrita aplikatzen zaion potentzial positiboa dela eta, korronte elektroniko baten zirkulazioa sortzen du harizpiaren eta anodoaren arteko balbularen bidez. Fenomeno honi Edison-Richardson edo efektu termoionikoa deitzen zaio.

Puntu horretan, beirazko anpoila batez osatuta dagoen balbula termoioniko sinpleena dugu, goritasun-lanpararen antzekoa, hustu dena eta, bertan, bi elektrodo, katodo izenekoak, eta anodoa sartuta daudenak.

Fisikoki, katodoa wolframezko harizpi batez osatuta dago, elektroi askeetan aberatsa den substantzia batek estalia eta korronte bat igarotzean berotzen dena. Anodoa harizpia distantzia jakin batera inguratzen duen eta potentzial positiboa aplikatzen zaion plaka metaliko batek osatzen du. Bi elektrodoz osatuta dagoenez, goian deskribatutako balbulari diodo deritzo.

Katodoaren funtzioa harizpiak zuzenean egiten duenez, zuzeneko berokuntza balbula bat da.

Balbularen bidez korronte handiagoak eta harizpiaren berokuntza-korrontearen eta anodo-katodoaren arteko isolamendu elektrikoa lortu nahi direnean, katodo independente bat erabiltzen da, estalitako edo margotutako metalezko hodi txiki batez osatua, elektroi askeetan aberatsa den material batzuekin, hala nola harizpia inguratzen duen torio oxidoa, elektrikoki isolatuta baina ondo berotu ahal izateko gertuegi. Kasu horretan, balbulari zeharkako berokuntza deritzo, eta, orduan, berokuntza-korrontea alternoa ere izan daiteke. Balbula mota horretan, harizpiak berotze-elementu baino ez dira, eta ez da elektrodo aktibotzat hartzen. Harizpiak isolatuta daudenez, ekipoen balbula guztien harizpiak elkarrekin konekta daitezke (seriean edo paraleloan), eta hori ezinezkoa da berokuntza zuzeneko katodoekin.

Anodoaren eta katodoaren artean beste elektrodo batzuk gehitzen badira (sareta izenekoak), anodora iristen den elektroien fluxua kontrolatu edo modulatu daiteke, hortik balbula izena.

Balbula barruko korrontea noranzko batean bakarrik igaro daitekeenez, balbula termoionikoen aplikazioetako bat zuzentzaile gisa erabiltzea da. Era berean, eta saretaren eta katodoaren artean potentzial-diferentzia txikiak aplikatuta, katodoaren eta anodoaren artean igarotzen den korrontearen aldakuntza nabarmenak sor daitezke, beste aplikazio bat, agian garrantzitsuena, anplifikadore gisakoa da.

 

Balbula termoioniko mota asko dauden arren, teknologiak aurrera egin ahala, gehienek, denborarekin hobetuz joan den ezaugarri multzo komun bat dute. Ezaugarri multzo komun hori aplikazioetan nahiz funtzionamendu-oinarrietan desberdintzen da: elektroi-kantitatearen kontrolean (triodoak, tetrodoak, pentodoak); bere abiadura klistronetan; elektroi fluxuaren eta uhin elektromagnetikoen akoplamendua uhin mailakatuko hodietan; etab).

 

Harizpia, katodoak elektroi kantitate egokia igor dezan beharrezko energia hornitzen duen berotze-osagaia da.

Lehenengo balbuletan, harizpia katodo gisa ere aritzen zen (beroketa zuzeneko katodoa). Ondoren funtzioak bereizi ziren, eta harizpia berogailu gisa eta katodoa elektrodo banandu moduan gelditu zen (zeharkako beroketako katodoa). Bi moduak batera aritu ziren, batetik, beroketa zuzenak katodoaren eta harizpiaren arteko transferentzia termikoa hobetzen duelako, eta, bestetik, zeharkako beroketak zirkuituen diseinuak asko erraztea eta elektroi bakoitza optimizatzea onartzen duelako.

Harizpia, beroa dagoenez, gainazaleko materialaren sublimazio-efektupean aurkitu ohi dugu; hau da, gas-egoerara pasatzen da gainontzekoak baino gehiago berotzen diren puntuetan azalera murriztuz. Honela, sublimazioa handitzearen eraginez puntu hauetako harizpiak hautsi egiten dira. Efektu hau asko txikitzen da, tenperatura baxuetan fusio-puntu altua duten materialekin lan eginez gero (Wolframioa...). Beraz, honen eraginez harizpien tenperatura jaitsiz joan da.

Efektu mikrofonikoa dardara mekanikoko harizpirako transmisioan datza. Harizpia dardaratzen denean, oszilazioak katodora transmititzen ditu; honela, bere distantzia saretarekiko aldatu egiten da eta elektroi-korrontean modulazio bat sortzen da. Anodoan, seinale erabilgarria dardara mekanikoek modulatzen dute, eta han bereziki desatsegina da audio-anplifikadoreen kasuan, akoplatzen diren dardarak bozgorailutik bertatik baitatoz.

Eremu magnetikoek ere harizpi-oszilazioak sor ditzakete; horregatik, balbula batzuk iragazkortasun magnetiko handiko tutuetan (mu-metala) ixten dira.

Katodoak elektroiak igortzen ditu, eta elektroi-igortze hau etengabea izan behar da balbularen bizitzan zehar. Zoritxarrez, katodoak ahitzen joaten dira zahartzen doazen heinean.

Harizpien bizitza luzatzeko, katodoen funtzionamendu-tenperatura txikiagotu egiten da, elektroi-erauzketa potentzial baxuagoko materialen erabilerari esker (torio-aleazioak, lantanido-oxidoak...).

Horrez gain, katodoek eroale onak izan behar dute, eta honek estalketa oso aplikazio jakinetan egitera mugatzen du. Adibidez, kaltzio-oxidoak hutsezko pantaila fluoreszenteen (VFD) harizpiak estali ohi ditu.

Huts maila baxua izatea gas molekulen presentzia oso txikiaren ondorioa da; alegia, huts mailak balbulako gas-molekularen kopuruarekin zerikusia du. Molekula kopurua handituz, beraien arteko talkak ere handitzen dira eta, ondorioz, tutuaren errendimendua txikitzen da. Bestalde, huts maila baxua izateak harizpiaren higaduraren handitzea ekartzen du ondorio modura. Historikoki, garapenak maila altuko huts-balbulak egitera bideratu gaitu. Hala ere, badira balbula batzuk, “tiratroi” balbulak hain zuzen ere, bere funtzionamenduari esker hainbat gasen bitartez tutua betetzea ahalbidetzen dutenak.

Badira hainbat metal atmosferako gasak absorbatzeko propietateak dituztenak, eta presio baxuan berotzean, era geldoan liberatzen dituzte gas horiek. Horregatik, balbularen erabileraren ondorioz, bere errendimendua txikitu egiten da. Hori ekiditeko “getter” materiala ( adibidez, magnesioa) erabiltzen da; material hau balbula zigilatzean lurrundu egiten da. Lurrundutako magnesioa, beiraren gainazalean ipintzen da estalki distiratsu modura. “Getter” materialak, tutuan liberatu daitezkeen gas-molekulak adsorbatzen ditu, eta honela tutuaren hutsa bermatzen da. Tutuaren barnean airea sartzean, “getter” materialak kolore zurixka hartzen du.

 

Balbula-ontziaren eraikuntzan gehien erabiltzen den materiala da, bonbilen fabrikaziotik heredatua. Baina beirak fusio-puntu baxua du, isolatzaile termiko ona da, eta hauskorra da. Hori dela eta, potentzia altuko nahiz irrati-maiztasun motako balbuletan erabiltzen da; beira gogorragoa da, eroankortasun termiko hobea du eta fusio-puntu altuagoa dauka. Arazoa izan da zeramikaren eta metalen arteko bat-egite hermetiko eta iraunkorra. Behin arazo hori ebatzita, potentziako eta mikrouhinetako balbulei dagokionez, zeramika beirari gailendu zaio.

Elektrodo-kopuruaren arabera, balbulak ondorengo moduan sailkatzen dira: diodoak, triodoak, tetrodoak, pentodoak, eta horrela elkarren segidan.

Beste balbula termoioniko mota batzuk, ondorengoak dira:

• Tiratroiak: gasez betetako triodoak.

• Izpi katodikozko tutua: telebista-pantailak, osziloskopioak, etab.

• Ikonoskopioak, ortikoi-ak, bidikoi-ak, plumbikoi-ak: telebista-kamerako tutuak dira.

• Begi magikoak: sintonia-adierazleak, zinta magnetiko-grabatzaileen asetasun-adierazlea.

• Klistroiak, magnetroi-ak, mailakako uhineko tutuak; horiek guztiak mikrouhin-gailuak.

• Dekatroia eta trokotroia, tutu kontatzaileak.

• Selektroia: memoria digitala.

• Williams tutua: memoria digitala.

• VFDa: Displays huts-fluoreszenteak.