МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

Кафедра «Физика-2»

ФИЗИКА

РАБОТЫ 19, 119, 27, 72, 172, 74, 75, 175

Методические указания

К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

МОСКВА  2009

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

Кафедра «Физика-2»

ФИЗИКА

РАБОТЫ 19, 119, 27, 72, 172, 74, 75, 175

Рекомендовано редакционно-издательским советом университета

в качестве методических указаний для студентов специальностей

ИУИТ, ИСУТЭ, ИЭФ, ИТТОП, вечернего факультета

МОСКВА  2009

УДК 537.8

Ф-50

Андреев А.И., Колотилова В.Г., Прунцев А.П., Стоюхин С.Г Физика: работы 19, 119, 27, 72, 172, 74, 75, 175: Методические указания к лабораторным работам / под ред. доц. А.П. Прунцева и доц. Л.М. Касименко. – Переизд., доп. – М.: МИИТ, 2009. – 98 с.

Методические указания содержат описания лабораторных работ по общему курсу физики, предназначенных для студентов специальностей ИУИТ, ИСУТЭ, ИЭФ, ИТТОП, вечернего факультета. Методические указания соответствуют программе и учебным планам по курсу общей физики.

Авторы:	доцент В.Г. Колотилова – работа 19
	доцент А.И. Андреев – работа 119
	доценты А.И. Андреев и С.Г. Стоюхин – работа 27
	доцент С.Г. Стоюхин – работы 72, 74, 172
	доцент А.П. Прунцев – работы 75, 175

© Московский государственный

университет путей сообщения

(МИИТ), 2009

Работа 19

Изучение принципа действия и характеристик электронных ламп

Цель работы: Изучение принципа действия электронной лампы и снятие характеристик диода и триода; определение параметров триода в отсутствие сопротивления в цепи анода.

Приборы и принадлежности. Исследуемая лампа, выпрямитель, миллиамперметр, вольтметры.

Введение

Электронная лампа представляет собой стеклянный, металлический или керамический баллон с впаянными металлическими электродами. В баллоне создается разрежение воздуха до давления порядка 10^7 мм рт. ст. (примерно 10^5 Па). Один из электродов лампы (катод) накаливается пропусканием по нему электрического тока (прямой накал) или с помощью нагревательного устройства (косвенный накал) и является источником электронов, покидающих поверхность металлического электрода.

Явление испускания электронов нагретыми телами лежит в основе работы электронной лампы и называется термоэлектронной эмиссией.

Катод лампы обычно изготавливается в виде нити из тугоплавкого металла. При нагревании катода электроны эмиссии образуют вокруг него отрицательный пространственный заряд, так называемое электронное облако. Вблизи катода оно удерживается кулоновскими силами, которые возникают между электронным облаком и положительно заряженным в результате эмиссии электронов поверхностным слоем металла.

Второй электрод является анодом лампы. При положительном потенциале анода относительно катода электроны эмиссии движутся под действием электрического поля между катодом и анодом, и в лампе возникает электрический ток.

Присутствие пространственного заряда приводит к такому перераспределению потенциала между катодом и анодом, которое оказывает тормозящее действие на электроны. С возрастанием положительного потенциала анода плотность электронного облака постепенно уменьшается и при некотором напряжении между катодом и анодом обращается в ноль. При этом движение электронов определяется электрическим полем, зависящим только от разности потенциалов между катодом и анодом и конфигурации электродов лампы.

Диод. Простейшей электронной лампой является диод (двух электродная лампа). Для того, чтобы диод пропускал электрический ток, катод должен иметь отрицательный, а анод – положительный потенциал. Перемена знака потенциала анода позволяет «запереть» лампу, то есть прекратить прохождение тока через нее. Односторонняя проводимость диода используется для выпрямления переменного тока.

Важнейшей характеристикой диода является зависимость силы тока, текущего через лампу (анодного тока), от разности потенциалов между катодом и анодом (анодного напряжения). Её называют вольтамперной или анодной характеристикой диода (ВАХ).

Анодный ток зависит от анодного напряжения и от температуры катода. При постоянной температуре катода анодный ток I_А возрастает с увеличением анодного напряжения U_А. Поскольку механизм возникновения электрического тока в этом случае отличается от механизма возникновения тока в проводниках, то зависимость анодного тока от анодного напряжения не описывается законом Ома.

На рис. 1 представлена типичная вольтамперная характеристика диода. Для участка кривой abc характерно нелинейное возрастание анодного тока, на участке cd анодный ток почти не изменяется при увеличении анодного напряжения. Это объясняется тем, что при некотором анодном напряжении подавляющее число электронов эмиссии достигает анода, и лишь незначительная их часть рассеивается, не достигнув анода.

Максимальное значение анодного тока при данной температуре катода называется током насыщения лампы. Сила тока насыщения I_Н численно равна заряду всех электронов, испускаемых катодом в единицу времени:

I_Н  ne,

где n – число электронов, испускаемых катодом в единицу времени, e – величина заряда электрона.

П

I_н

лотность тока насыщения j₀ зависит от температуры катода и работы выхода электрона из металла. Эта зависимость выражается формулой Ричардсона-Дэшмана:

j₀  BT² , (1)

где В – эмиссионная постоянная, одинаковая для всех металлов;

Т – абсолютная температура катода; k – постоянная Больцмана;

А – работа выхода электрона из металла.

Таким образом, увеличение напряжения накала вызывает повышение температуры катода, и, следовательно, возрастание анодного тока при всех значениях анодного напряжения, в том числе и тока насыщения.

Зависимость анодного тока от анодного напряжения на участке кривой ab (см. рис. 1) приблизительно может быть описана законом Богуславского-Ленгмюра, называемым «законом трёх вторых»:

I_А  BU_А^3/2, (2)

где B – коэффициент, зависящий от формы и взаимного расположения катода и анода при прочих одинаковых условиях.

Семейством анодных характеристик диода (ВАХ) является совокупность графиков, изображающих зависимости анодного тока I_А от анодного напряжения U_А при различных фиксированных напряжениях накала U_Н, то есть:

I_А  f(U_А) при U_Н  const.

Триод. Это электронная лампа с тремя электродами (катод, анод, сетка). Сетка расположена между катодом и анодом вблизи катода. При этом между сеткой и катодом создается сильное электрическое поле. Поэтому влияние потенциала сетки на анодный ток более значительно, чем влияние потенциала анода.

Назначением сетки является управление анодным током лампы (отсюда название сетки – управляющая или управляющий электрод). При положительном потенциале сетки усиливается ускоряющее электрическое поле между катодом и анодом, и анодный ток увеличивается, а при отрицательном – это поле ослабляется, и анодный ток уменьшается по сравнению с током лампы при нулевом потенциале сетки. При некотором отрицательном потенциале сетки ток через лампу прекращается, то есть лампа оказывается «запертой».

Минимальное по абсолютной величине и отрицательное по знаку напряжение между сеткой и катодом, при котором ток через лампу не течет, называется напряжением запирания.

При постоянном напряжении накала катода анодный ток в триоде зависит от разности потенциалов U_А между катодом и анодом (анодного напряжения) и напряжения между сеткой и катодом (сеточного напряжения) U_С, то есть является функцией двух переменных:

I_А  f(U_А, U_С) при U_Н  const.

Зависимость анодного тока от анодного напряжения при фиксированном значении сеточного напряжения и неизменном напряжении накала катода называется анодной характеристикой триода (рис. 2а):

I_А  f(U_А) при U_С  const и U_Н  const.

Зависимость анодного тока от сеточного напряжения при фиксированном значении анодного напряжения и неизменном напряжении накала катода называется анодно-сеточной характеристикой триода (рис. 2б):

I_А  f(U_С) при U_А  const и U_Н  const.

Важнейшими параметрами триода являются: внутреннее сопротивление R_i, крутизна анодно-сеточной характеристики S и коэффициент усиления лампы . Эти параметры зависят от сопротивления в цепи анода. В данной работе сопротивление в цепи анода отсутствует. Такой режим и параметры, соответствующие ему, называются статическими.

Выясним смысл перечисленных параметров триода, для чего рассмотрим зависимость анодного тока от анодного и сеточного напряжения при постоянном напряжении накала катода.

Полный дифференциал анодного тока:

dI_А  dU_A  dU_С. (3)

Индексы при частных производных означают, что в первом слагаемом дифференцирование производится при U_С  const, а во втором – при U_А  const.

Внутреннее дифференциальное сопротивление R_i лампы определяется из соотношения:

 , (4)

и показывает, на сколько вольт надо изменить анодное напряжение при неизменном сеточном, чтобы анодный ток изменился на единицу.

Параметр

S  (5)

называется крутизной анодно-сеточной характеристики; он показывает скорость изменения анодного тока при изменении потенциала сетки, когда анодное напряжение постоянно.

Отношение

  (6)

позволяет сравнить влияние приращений анодного и сеточного напряжений на анодный ток и называется коэффициентом усиления лампы. Из формул (4), (5) и (6) видно, что

  SR_i. (7)

Приведенные параметры триода определяются по измеренным анодным и анодно-сеточным характеристикам.

Н а рис. 3 представлено семейство анодных характеристик триода. Кривые 1 и 2 сняты при близких значениях сеточных напряжений U_С1 и U_С2. Для определения параметров триода на графике выбирается некоторое значение анодного тока в пределах прямолинейной части характеристик I и II (точка А). Через эту точку проводится прямая, параллельная оси абсцисс, пересекающая кривые 1 и 2 (точки В, С), а через точку С проводится прямая, параллельная оси ординат, до пересечения с кривой 2 (точка D).

Характеристический треугольник ∆BCD содержит все данные, необходимые для определения параметра триода:

ВС  U_A; CD  I_A;

U_С1  U_С2  U_C.

По этим данным вычисляются

R_i  ; S  ;   . (8)

Как указывалось выше, параметры триода можно определить и по анодно-сеточным характеристикам, представленным на рис. 4. Из рисунка следует, что

R_i   ; S   ;    . (9)

Ч тобы иметь возможность сравнивать значения параметров, вычисленных по формулам (8) и (9), необходимо выбирать на рис. 3 и рис. 4 близкие режимы работы триода.

Принципиальная схема включения лампы для снятия характеристик приведена на рис. 5, где Л – исследуемая лампа; А – анод; С – сетка; К – катод; PА – миллиамперметр для измерения анодного тока; PV 1 и PV 2 – вольтметры для измерения анодного и сеточного напряжений; В – выпрямитель, являющийся источником питания л ампы.

В режиме отключения сетки (при этом U_С  0) лампа работает как диод. В режиме с включенной сеткой лампа работает как триод.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомьтесь с установкой, измерительными приборами, определите цену деления приборов.

2. Ознакомьтесь с указаниями к работе, приведенными на стенде, и получите разрешение на включение установки.

ВО ВРЕМЯ ИЗМЕРЕНИЙ СЛЕДИТЕ ЗА ПОКАЗАНИЯМИ ПРИБОРОВ И ПОДДЕРЖИВАЙТЕ ИХ НА ЗАДАННОМ УРОВНЕ!

Упражнение 1. Снятие анодных характеристик диода

при различных напряжениях накала катода

1. Установите напряжение накала U_Н1 и после прогрева катода приступите к снятию анодной характеристики, то есть измерению силы анодного тока при различных значениях анодного напряжения, указанных на стенде. При этом следите, чтобы напряжение на сетке всегда было равным нулю (U_С  0). Результаты измерений занесите в таблицу 1.

2. Повторите измерения при напряжении накала катода U_Н2.

ПРИМЕЧАНИЕ: Значения U_Н1 и U_Н2 указаны на стенде.

Таблица 1

Анодные характеристики диода

№ п/п	UА, В	IА ,мА
		UН1  ...B	UН2  ...В
1
2
3
…
8