2. Вакуумный диод.

Для того чтобы электрон проводимости вылетел за пределы металла, необходимо, чтобы его кинетическая энергия оказалась больше работы выхода:

. (2)

Эту энергию электрон может получить разными путями. Один из них – повышение температуры металла, в результате чего происходит испускание (эмиссия) электронов в вакуум. Явление испускания электронов нагретым металлом называется термоэлектронной эмиссией.

Исследование термоэлектронной эмиссии осуществляется с помощью двухэлектродной лампы (вакуумного диода), подключенной по схеме (рис.2).

Вакуумный диод представляет собой хорошо откачанный стеклянный баллон, внутри которого имеется два электрода – катод К и анод А. В простейшем случае катод имеет форму тонкой прямой нити, анод – коаксиального с ней цилиндра. Катод нагревается током от батареи накала _н. Ток накала можно менять с помощью реостата R₁. Между катодом и анодом с помощью батареи  создается разность потенциалов порядка 100 - 200 В, которая регулируется потенциометром R₂. Анодный ток измеряется с помощью миллиамперметра.

При постоянном токе накала катода зависимость силы анодного тока от анодного напряжения I_a = f(U_a) имеет вид, показанный на рис. 3. Эта кривая называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) диода. Различные кривые соответствуют разным температурам катода.

Согласно графику зависимости I_a = f(U_a) закон Ома для анодного тока в вакуумном диоде не выполняется. При U_a = 0 лишь небольшому числу электронов, вылетевших из катода, удается преодолеть электронное облако и долететь до анода, при этом в анодной цепи будет течь слабый ток I₀ . Чтобы полностью прекратить анодный ток, необходимо приложить между электродами некоторое отрицательное напряжение, поэтому вольт-амперная характеристика диода начинается не в нуле, а немного левее начала координат. Начальный участок кривой на рис.3 достаточно хорошо описывается зависимостью , поэтому при малых значениях U_a анодный ток изменяется по закону степени трех вторых:

, (3)

где G – коэффициент пропорциональности, зависящий только от конструкции диода, называемый первеансом лампы. При дальнейшем увеличении анодного напряжения анодный ток перестает расти, стремясь к определенному при данной температуре значению I_S, называемому током насыщения (рис.3).

В случае коаксиальных цилиндрических электродов (рис. 4) первеанс лампы равен:

(4)

где l – длина образующей цилиндрической поверхности анода

D – диаметр цилиндрической поверхности анода

d – расстояние между катодом и анодом

β – коэффициент, зависящий от отношения радиусов анода и катода

(для настоящей работы l = 0,9 см; D = 1,9 см; β ² = 0,98)

Таким образом, зная первеанс лампы G, можно определить удельный заряд электрона (отношение заряда электрона к его массе)

(5)

Порядок выполнения работы:

1. Собрать схему установки согласно рис. 5.

2. Включить выпрямитель в сеть и при помощи реостата R₂ установить начальный ток накала, заданный преподавателем.

3. Изменяя при помощи потенциометра R₁ анодное напряжение в пределах от 0 до 200 В с шагом 20 В снять ВАХ диода, определить значения анодного тока при заданном начальном токе накала. Повторить аналогичные измерения анодного тока еще для двух других значений тока накала. Результаты измерений занести в табл. 1.

4. Используя полученные значения I_a, построить графики зависимости анодного тока от анодного напряжения (ВАХ) I_a = f (U_a).

5. Построить график зависимости анодного тока от анодного напряжения в степени три вторых для наименьшего значения тока накала.

6. Определить тангенс угла наклона α полученной прямой. Определить удельный заряд электрона по формуле (5), с учетом того, что . Результаты вычислений занести в табл. 2.

7. Рассчитать относительную и абсолютную погрешность, используя формулы (6) и (7).

; (6)

(7)

Таблица 1.

№	IН1 = А		IН2 = А		IН3 = А
	Ua, В	Ia, мА	Ua, В	Ia, мА	Ua, В	Ia, мА
1.	0		0		0
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.

Таблица 2.

IН1, А	Ia, мА	, В	G, А/В3/2	, Кл/кг	, Кл/кг	, %