Контрольные вопросы

1. Какое явление лежит в основе работы электронных ламп? В чем оно состоит?

2. Опишите устройство электронной лампы – диода.

3. Что является причиной образования электронного облака вблизи катода?

4. Что такое пространственный заряд и какова его роль в лампе?

5. Какие требования предъявляются к материалу катода?

5. От каких факторов зависит ток через диод?

6. Что называется вольтамперной характеристикой диода? Какой вид имеет вольтамперная характеристика диода?

6. Справедлив ли для электронных ламп закон Ома?

6. Нарисуйте принципиальную схему для снятия вольтамперной характеристики диода?

10. Что такое ток насыщения? Какие величины влияют на плотность тока насыщения?

11. Напишите формулу Богуславского – Ленгмюра.

12. Как можно изменять температуру катода?

13. Каково главное применение диода и на чем оно основано?

14. Опишите устройство вакуумного триода.

15. От чего зависит сила тока в триоде?

16. Какую роль играет сетка в работе триода?

17. Что такое анодно-сеточная характеристика триода?

18. Что такое напряжение запирания и от чего оно зависит?

19. Нарисуйте принципиальную схему для снятия анодно-сеточной характеристики триода.

20. Что называется анодной характеристикой триода?

21. Нарисуйте принципиальную схему для снятия анодной характеристики триода.

22. Назовите важнейшие параметры триода, указав единицы их измерения в СИ.

23. Что называется внутренним сопротивлением триода? От чего зависит его величина?

24. Дайте определение крутизны сеточной характеристики и коэффициента усиления триода. Каков физический смысл этих величин?

25. Как по анодной и анодно-сеточной характеристикам определить R_i,, S и μ вакуумного триода?

26. Напишите формулу, связывающую параметры S, R_i,, μ.

28. Какую роль выполняет триод в электрической цепи?

Список литературы

1. Курс физики: Учеб. пособие для студ. вузов. / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. 7-е изд., стер. – М.: Издат. центр «Академия», 2008. – 720 с.

2. Курс физики: Учеб. для вузов / Т.И. Трофимова. – 7-е изд., стер. – М.: Высшая шк., 2003. – 542 с.

3. Селезнёв В.А., Тимофеев Ю.П. Методические указания к вводному занятию в лабораториях кафедры физики. – М.: МИИТ, 2006. – 30 с.

Работа 119

Определение работы выхода электронов из металла

Цель работы: Изучение принципа действия электронной лампы, построение и изучение вольтамперной характеристики двухэлектродной лампы (диода); исследование зависимости плотности тока насыщения термоэлектронной эмиссии от температуры катода и определение работы выхода электрона из вольфрама.

Приборы и принадлежности. Универсальный лабораторный стенд, исследуемая лампа, регулируемый источник питания постоянного напряжения (ИП), миллиамперметр (PA), вольтметры (PV), блок функциональный для подключения электронной лампы (ФПЭ).

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 подогревного 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. Электрические и тепловые свойства металлов в значительной степени определяются состоянием валентных электронов, т. е. электронов проводимости, способных перемещаться в металле. Если принять, что вне металла потенциальная энергия электрона равна 0, то внутри металла она отрицательна W_П   e. Это потенциальная яма с плоским дном, что свидетельствует об эквипотенциальности объема металла. Минимальная энергия, которую необходимо сообщить электрону для удаления из металла,

А_ВЫХ  |e|∆

называется работой выхода.

Рассмотрим природу сил, препятствующих выходу электронов из металла и определяющих работу выхода А_ВЫХ Отдельные электроны проводимости, двигаясь внутри металла с большими скоростями, могут пересекать поверхность металла. Вылетевший из металла электрон удаляется от поверхности до тех пор, пока кулоновское взаимодействие с избыточным положительным зарядом, возникшим на месте, который покинул электрон, не заставит его вернуться обратно.

Постоянно одни электроны «испаряются» с поверхности металла, другие возвращаются обратно. Поэтому металл оказывается окутанным облаком электронов, образующих совместно с наружным слоем положительных ионов двойной электрический слой, подобно плоскому конденсатору. Поле двойного слоя E препятствует выходу электронов из металла.

При комнатной температуре практически все свободные электроны заперты в пределах проводника, имеется лишь небольшое количество электронов, энергия которых достаточна для того, чтобы преодолеть потенциальный барьер и выйти из металла.

Однако, электронам можно различными способами сообщить дополнительную энергию. Если электроны получают энергию за счет тепловой энергии тела при повышении его температуры, можно говорить о термоэлектронной эмиссии.

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.

Для наблюдения термоэлектронной эмиссии можно использовать лампу, содержащую два электрода: накаливаемый током катод и второй электрод, собирающий термоэлектроны, который называется 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.

Т

I_н

аким 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, (1)

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.

Плотность тока насыщения j₀, равная силе тока насыщения I_Н на каждую единицу поверхности катода S_К, зависит от температуры катода и работы выхода электрона из металла. Эта зависимость выражается формулой Ричардсона-Дэшмана:

j₀  BT² , (2)

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.

Измеряя на опыте зависимость тока насыщения от температуры, можно определить работу выхода для данного металла.

Прологарифмируем уравнение (2)

ln(j₀/T²)  lnB – A_ВЫХ/(kT), (3)

Такой вид уравнения удобен для экспериментальной проверки. График зависимости ln(j₀/T²) от 1/T является прямой линией с угловым коэффициентом A_ВЫХ/k (рис. 2).

О пределив тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс, рассчитаем работу выхода:

A_ВЫХ  ktg.

Для построения графика необходимо знать плотность анодного тока насыщения j₀ и температуру катода. Температура рассчитывается следующим образом. Подводимая к катоду мощность расходуется в вакуумной лампе в основном на тепловое излучение. Для вольфрама была экспериментально определена зависимость температуры катода от расходуемой на его нагрев джоулевой мощности, приходящейся на единицу площади поверхности катода. На графике (рис. 3, который прилагается к работе) приведены результаты этих измерений. По этому графику, зная мощность, подводимую к к атоду, можно определить его температуру.