3.3. Описание лабораторной установки

Для получения высокой точности при измерении термического коэффициента сопротивления металлов используется мост Уитстона, схема которого изображена на рис. 3.1.

В схеме моста используется метод сравнений сопротивлений, не требующий измерения тока и напряжения. Четыре сопротивления , , и соединены между собой так, как показано на схеме; одно из них – неизвестное, , – чувствительный гальванометр.

При замыкании ключа ток источника напряжения разветвляется между ветвями и , и по участку пойдет ток, направление которого зависит от того, какая из точек или имеет более высокий потенциал. Можно подобрать сопротивления , и так, что на участке ток будет отсутствовать, и гальванометр будет показывать нуль, а это возможно только в том случае, когда разность потенциалов между точками и будет равна нулю. При этих условиях можно для плеч моста написать равенства

; (3.5)

. (3.6)

Из равенства следует, что . (3.7)

Определив сопротивление при двух значениях температуры ( ) и ( ), по формуле (3.4) вычислим термический коэффициент сопротивления.

Схема установки включает устройство для нагревания и охлаждения медной проволоки.

3.4. Вопросы для самопроверки

1. Что называется термическим коэффициентом, и в каких единицах он измеряется?

2. Как зависит сопротивление металлического проводника от температуры?

3. Как изменяется сопротивление электролитов при нагревании?

4. Объясните работу схемы моста Уитстона?

5. Объясните природу электросопротивления металлов.

3.5. Порядок проведения лабораторной работы

О знакомиться с элементами и устройством схемы. Измерить температуру медной проволоки , соответствующую комнатной температуре, а также сопротивление при температуре , для чего курбельным магазином сопротивлений подобрать такое сопротивление , при котором ток в цепи гальванометра станет равен нулю.

Нагревая медную проволоку до температуры , сделать еще восемь измерений температуры и сопротивления. Результаты измерений занести в табл. 3.1.

Таблица 3.1.

Номер измерения
0 1 2 3 4 5 6 7 8

3.6. Обработка результатов эксперимента

Запустить в среде Mathcad файл «Определение термического коэффициента сопротивления металлов». Результаты измерения сопротивления и температуры ввести в соответствующие поля ввода. Следя за указаниями компьютерной модели, определить характер зависимости сопротивления металлов от температуры, найти среднее значение термического коэффициента сопротивления медной проволоки и ее сопротивление при .

3.7. Оформление отчета

Отчет должен содержать следующие данные: цель работы, схему установки, таблицу измеряемых величин, график зависимости сопротивления медной проволоки от температуры, определенные с помощью компьютерной модели средние значения термического коэффициента сопротивления медной проволоки и ее сопротивление при , выводы по работе.

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

Лабораторная работа Э-4

СНЯТИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ДВУХЭЛЕКТРОДНОЙ ЛАМПЫ

4.1. Цель работы

Изучение устройства двухэлектродной лампы и физических процессов, связанных с ее работой. Измерение основных характеристик вакуумного диода.

4.2. Общие положения

Термоэлектронная эмиссия. Термоэлектронной эмиссией называется испускание электронов нагретыми телами. При этом сами тела называются эмиттерами, а испускаемые ими электроны – термоэлектронами.

В металле электроны проводимости удерживаются кулоновскими силами. Поэтому поверхность тела могут покинуть только те электроны, энергия которых достаточна для преодоления потенциального барьера на его границе, т.е. для совершения работы выхода. При комнатной температуре количество таких электронов мало, однако оно быстро растет при нагревании тела.

Явление термоэлектронной эмиссии используется в вакуумных электронных лампах, электронно-лучевых трубках, газоразрядных и т.п. приборах, в которых нагреваемый эмиттер служит катодом. В этих приборах электрический ток возникает под действием «отсасывающего» электрического поля, создаваемого с помощью второго электрода – анода. Если величина этого поля мала, то электроны, покинувшие катод, образуют вокруг него отрицательный пространственный заряд, т.е. электронное облако, которое возвращает значительную часть термоэлектронов на катод. В этих условиях плотность тока термоэлектронной эмиссии зависит от анодного напряжения по закону «трех вторых», установленному Ленгмюром:

, (4.1)

г де – коэффициент, зависящий от формы и размеров электродов.

С увеличением напряжения пространственный заряд рассасывается, и все большая часть термоэлектронов увлекается электрическим полем к аноду. При пространственный заряд исчезает, а ток достигает насыщения, как это показано на рис. 4.1. При дальнейшем повышении напряжения ток насыщения слабо растет вследствие эффекта Шотки: под действием ускоряющего электрического поля работа выхода термоэлектронов уменьшается.

Плотность тока насыщения можно вычислить по формуле Ричардсона-Дэшмана:

, (4.2)

где – постоянная, зависящая от материала и формы анода;

– работа выхода термоэлектронов; – температура катода;

– постоянная Больцмана.

Работа выхода зависит от материала катода и состояния его поверхности. Для чистого вольфрама эВ.

Из выражения (4.2) видно, что плотность тока термоэлектронной эмиссии при комнатной температуре ничтожно мала, однако с ростом температуры она увеличивается по экспоненциальному закону.

Двухэлектродная лампа. Основными элементами двухэлектродной лампы (диода) являются катод и анод, помещенные в герметизированный корпус (баллон), из которого удален воздух. Давление остаточных газов в лампе не должно превышать мм рт. ст., что необходимо для свободного движения электронов.

В зависимости от типа лампы и материала катода его рабочая температура лежит в диапазоне 900–2300 К. В простейшем случае катод делают в виде металлической (обычно вольфрамовой) проволоки, которую подключают к дополнительному (накальному) источнику питания. Нагреваемые таким образом катоды называются катодами прямого накала.

Большое распространение получили катоды косвенного накала, выполненные в виде металлического цилиндра, внутри которого размещают подогреватель в виде проволоки. Поверхность такого катода предварительно покрывают специальной оксидной пленкой (оксиды бария, стронция и ряда других металлов), которая эффективно испускает электроны при не очень высоких температурах.

Форму полого цилиндра, только несколько большего радиуса, часто придают и второму электроду – аноду. В этом случае катод размещают во внутренней полости анода, что позволяет значительно уменьшить потери на рассеяние электронов.

Х арактеристики диода. Регулируя температуру катода, например, путем изменения напряжения накала , можно в широких пределах изменять силу тока насыщения лампы. На рис. 4.2 показана типичная зависимость анодного тока от напряжения накала при постоянном напряжении на аноде , превышающем напряжение насыщения. Видно, что эта зависимость качественно согласуется с формулой (4.2).

Типичные анодные характеристики диода (зависимость анодного тока от анодного напряжения), полученные для нескольких постоянных напряжений накала, представлены на рис. 4.3.

Основными параметрами диода являются сопротивление постоянному току и внутреннее динамическое сопротивление .

Сопротивление постоянному току определяется согласно закону Ома:

. (4.3)

Внутреннее динамическое сопротивление определяется как отношение малого приращения напряжения на аноде к соответствующему приращению анодного тока (см. рис. 4.3):

. (4.4)

Рабочую точку диода обычно выбирают в середине линейного участка его анодной характеристики. Для рабочего диапазона лампы и .

Применение. Диоды обладают односторонней проводимостью, так как ток в лампе возможен только при . Это свойство диодов позволяет применять их в качестве детекторов в радио- и телевизионных приемниках, а также в выпрямителях переменного тока. Заметим, что в обоих случаях необходимо обеспечить работу лампы на возрастающем участке анодной характеристики, не допуская насыщения. Кроме того, при использовании диода в качестве детектора следует учитывать, что при малых анодных напряжениях его характеристика нелинейна. Это может приводить к искажениям детектируемого сигнала и к потере части информации.