3.3. Опис лабораторної установки

Для здобуття високої точності при вимірі термічного коефіцієнта опору металів використовується міст Уїтстона, схема якого зображена на Рис. 3.1.

У схемі моста використовується метод порівнянь опорів, що не потребує виміру струму і напруги. Чотири опори , , і сполучені між собою так, як показано на схемі; один з них – невідомий, , – чутливий гальванометр.

При замиканні ключа струм джерела напруги розгалужується між гілками і , і по ділянці піде струм, напрям якого залежить від того, яка з точок або має вищий потенціал. Можна підібрати опори , і так, що на ділянці струм буде відсутній, і гальванометр показуватиме нуль, а це можливо лише у тому випадку, коли різниця потенціалів між точками і дорівнюватиме нулю. За цих умов можна для плечей моста написати рівність

; (3.5)

. (3.6)

З рівності виходить, що . (3.7)

Визначивши опір при двох значеннях температури ( ) і ( ), по формулі (3.4) обчислимо термічний коефіцієнт опору.

Схема установки включає пристрій для нагрівання і охолоджування мідного дроту.

3.4. Питання для самоперевірки

1. Що називається термічним коефіцієнтом, і в яких одиницях він вимірюється?

2. Як залежить опір металевого провідника від температури?

3. Як змінюється опір електролітів при нагріванні?

4. Поясните роботу схеми моста Уїтстона?

5. Поясните природу електроопору металів.

3.5. Порядок проведення лабораторної роботи

Ознайомитися з елементами і пристроєм схеми. Виміряти температуру мідного дроту , відповідну кімнатній температурі, а також опір при температурі , для чого курбельним магазином опорів підібрати такий опір, при якому струм в колі гальванометра дорівнюватиме нулю.

Нагріваючи мідний дріт до температури зробити ще вісім вимірів температури і опору. Результати вимірів занести до таблиці 5.1.

Таблиця 3.1.

Номер виміру
0 1 2 3 4 5 6 7 8

3.6. Обробка результатів експерименту

Запустити у середовищі Mathcad файл «Визначення термічного коефіцієнту опору металів». Результати виміру опору та температури ввести у відповідні поля вводу. Слідкуючи за вказівками комп‘ютерної моделі, визначити характер залежності опору металів від температури, знайти середнє значення термічного коефіцієнту опору мідного дроту та його опір при .

3.7. Оформлення звіту

Звіт повинен містити наступні дані: мету роботи, схему установки; таблицю вимірюваних величин, графік залежності опору мідного дроту від температури, визначені з допомогою комп‘ютерної моделі середні значення термічного коефіцієнту опору мідного дроту та його опору при , висновки по роботі.

Література: [1], с. 136 – 140; [2], с. 104 – 107.

Лабораторна робота Е-4

ЗНЯТТЯ ХАРАКТЕРИСТИК ДВОЕЛЕКТРОДНОЇ ЛАМПИ

4.1. Мета роботи

Вивчення побудови двоелектродної лампи і фізичних процесів, пов'язаних з її роботою. Вимір основних характеристик вакуумного діода.

4.2. Загальні положення

Термоелектронна емісія. Термоелектронною емісією називається випускання електронів нагрітими тілами. При цьому самі тіла називаються емітерами, а електрони, що випускаються ними, – термоелектронами.

У металі електрони провідності стримуються кулонівськими силами. Тому поверхню тіла можуть покинути лише ті електрони, енергія яких достатня для подолання потенційного бар'єру на його кордоні, тобто для здійснення роботи виходу. При кімнатній температурі кількість таких електронів мала, проте вона швидко зростає при нагріванні тіла.

Явище термоелектронної емісії використовується у вакуумних електронних лампах, електронно-променевих трубках, газорозрядних і тому подібне приладах, в яких емітер, що нагрівається, служить катодом. У цих приладах електричний струм виникає під дією «відсмоктуючого» електричного поля, що створюється за допомогою другого електрода – анода. Якщо величина цього поля мала, то електрони, що покинули катод, утворюють довкола нього негативний просторовий заряд, тобто електронну хмару, яка повертає значну частину термоелектронів на катод. У цих умовах щільність струму термоелектронної емісії залежить від анодної напруги за законом «трьох других», встановленим Ленгмюром:

, (4.1)

де – коефіцієнт, що залежить від форми і розмірів електродів.

Із збільшенням напруги просторовий заряд розсмоктується, і все більша частина термоелектронів захоплюється електричним полем до анода. При просторовий заряд зникає, а струм досягає насичення, як це показано на рис. 4.1. При подальшому підвищенні напруги струм насичення слабо зростає унаслідок ефекту Шоттки: під дією прискорюючого електричного поля робота виходу термоелектронів зменшується.

Щільність струму насичення можна обчислити за формулою Річардсона-Дешмана:

, (4.2)

де – постійна, що залежить від матеріалу і форми анода;

– робота виходу термоелектронів; – температура катода;

– постійна Больцмана.

Робота виходу залежить від матеріалу катода і стану його поверхні. Для чистого вольфраму эВ.

З виразу (4.2) видно, що щільність струму термоелектронної емісії при кімнатній температурі дуже мала, проте із зростанням температури вона збільшується за експоненціальним законом.

Двоелектродна лампа. Основними елементами двоелектродної лампи (діода) є катод і анод, поміщені в герметизований корпус (балон), з якого видалено повітря. Тиск залишкових газів в лампі не повинен перевищувати мм рт. ст., що необхідне для вільного руху електронів.

Залежно від типа лампи і матеріалу катода його робоча температура лежить в діапазоні 900–2300 К. У найпростішому випадку катод роблять у вигляді металевого (зазвичай вольфрамового) дроту, який підключають до додаткового (розжарювального) джерела живлення. Катоди, що нагріваються таким чином, називаються катодами прямого розжарення.

Великого поширення набули катоди непрямого розжарення, виконані у вигляді металевого циліндра, усередині якого розміщують підігрівач у вигляді дроту. Поверхню такого катода заздалегідь покривають спеціальною оксидною плівкою (оксиди барію, стронцію і ряду інших металів), яка ефективно випускає електрони при не дуже високих температурах.

Ф орму полого циліндра, лише декілька більшого радіусу, часто додають і другому електроду – аноду. В цьому випадку катод розміщують у внутрішній порожнині анода, що дозволяє значно зменшити втрати на розсіяння електронів.

Характеристики діода. Регулюючи температуру катода, наприклад, шляхом зміни напруги розжарення , можна в широких межах змінювати силу струму насичення лампи. На рис. 4.2 показана типова залежність анодного струму від напруги розжарення при постійній напрузі на аноді , що перевищує напругу насичення. Видно, що ця залежність якісно узгоджується з формулою (4.2).

Типові анодні характеристики діода (залежність анодного струму від анодної напруги), отримані для декількох постійних напруг розжарення, представлені на рис. 4.3.

Основними параметрами діода є опір постійному струму і внутрішній динамічний опір .

Опір постійному струму визначається згідно закону Ома:

. (4.3)

Внутрішній динамічний опір визначається як відношення малого приросту напруги на аноді до відповідного приросту анодного струму (див. рис. 4.3):

. (4.4)

Робочу точку діода зазвичай вибирають в середині лінійної ділянки його анодної характеристики. Для робочого діапазону лампи і .

Застосування. Діоди володіють однобічною провідністю, оскільки струм в лампі можливий лише при . Ця властивість діодів дозволяє застосовувати їх як детектори в радіо- і телевізійних приймачах, а також у випрямлячах змінного струму. Відмітимо, що в обох випадках необхідно забезпечити роботу лампи на зростаючій ділянці анодної характеристики, не допускаючи насичення. Крім того, при використанні діода в якості детектора слід враховувати, що при малій анодній напрузі його характеристика нелінійна. Це може приводити до спотворень сигналу, що детектується, і до втрати частини інформації.