13

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ДИЗАЙНА И ТЕХНОЛОГИИ

Доц. Разинова С.М.

Доц. Шапкарин И.П.

Методические указания к лабораторной работе №80

«Снятие вольтамперной характеристики диода

и определение работы выхода электрона»

Мгудт 2003

УДК 53 (076.5)

Р17

Рекомендовано в качестве методических указаний РИС МГУДТ

Авторы: Разинова С.М., доц.

Шапкарин И.П., доц.

Рецензент:

доц. В.Г.Сидоров

Р17 Разинова С.М., Шапкарин И.П. «Снятие вольтамперной характеристики диода и определение работы выхода электрона.»: Методические указания. М.:МГУДТ, 2003-

ISBN 5-91010-024-4

Рассмотрены вопросы распространения электрического тока в вакууме, физические принципы работы вакуумного диода. Содержит обоснование метода измерений и экспериментальную часть, четыре рисунка, две таблицы, вопросы для допуска и сдачи работы. Предназначено для студентов специальностей: 06.08, 17.07, 21.02, 07.20,25.06, 28.08, 28.09, 28.10, 28.11, 2812, 33.200, направлений: 55.02, 55.08.

УДК 53 (076.5)

Isbn 5-94010-024-4 с мгудт, 2003 лабораторная работа №80

Снятие вольтамперной характеристики диода и определение работы выхода электрона.

Цель работы: изучение тока в вакууме на примере диода; снятие нескольких вольтамперных характеристик и определение по ним работы выхода электрона.

Приборы и принадлежности: выпрямители ВС-24М, ВСА-4К, диод 5Ц 3С, два амперметра, два вольтметра, два потенциометра, миллиметровая бумага.

Теоретическое введение

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ВАКУУМЕ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ХАРАКТЕРИСТИКИ, ЗАКОНЫ

Вакуум по своим электрическим свойствам является хорошим изолятором. Если же в вакууме создать электрические заряды и электрическое поле, то вакуум приобретает проводящие свойства. Приборы, использующие перемещение электронов в вакууме, нашли широкое применение в науке и технике и получили название электронных вакуумных ламп. Простейшим из них является диод.

Создание носителей зарядов-электронов, можно осуществить разными способами. Наиболее распространённым является термический, при котором металлический электрод нагревается непосредственно током или специальным подогревателем. Процесс испускания электронов нагретым электродом называют термоэлектронной эмиссией.

Диод

Диодом называют двухэлектродную электронную лампу. Она состоит из стеклянного баллона , из которого откачен воздух до давления порядка 10^-7 мм.рт.ст. На рис.80.1 показано устройство диода и его обозначение на схемах. Один электрод, называемый катодом К, является источником электронов. Конструктивно он выполняется в виде металлической нити, нагреваемой током. Различают катоды прямого накала и катоды косвенного накала. В последнем случае нить, нагреваемая током, проходит внутри фарфоровой трубки, на которую надет металлический цилиндр. Поверхность цилиндра покрывают слоем, способным испускать электроны при относительно низкой температуре нити накала. Такие активированные катоды экономичнее. Они могут питаться как постоянным, так и переменным током. Фарфоровая трубка сглаживает кратковременные колебания температуры нити, что обеспечивает получение стационарной эмиссии электронов.

Анод (рис.80.1) представляет собой металлический цилиндр, по оси которого располагается катод К. Между катодом К и анодом А с помощью внешнего источника создают электрическое поле, которое определяет движение электронов в лампе (рис.80.2). Анод и катод имеют самостоятельные выводы из баллона лампы, которые укрепляются на цоколе в виде штырьков.

Рис.80.1

Рис.80.2

Работа выхода электрона А_В

Работу, которую совершает электрон для выхода с поверхности катода в вакуум, называют работой выхода А_В. Она измеряется в электрон-вольтах (1эВ = 1,6 • 10^-19Дж). Величина А_В зависит от химической природы катода и температуры его поверхности. Зависимость А_В от температуры поверхности слабая и в дальнейшем не учитывается.

Для чистых металлов А_В может составлять несколько электрон-вольт. Нанесение на металлический катод окислов некоторых веществ (например бария) уменьшает работу выхода электрона и может вызвать усиление эмиссии электронов (активацию катода) .

При комнатной температуре (300 К) эмиссия электронов, вылетевших из катода за счет запаса своей кинетической энергии, чрезвычайно мала.

С увеличением температуры накала катода Т_Н возрастает запас кинетической энергии электронов, находящихся внутри катода, и эмиссия электронов становится более интенсивной. Количество электронов, вышедших из катода в единицу времени, зависит от величины работы выхода электрона А_В и температуры накала Т_Н.

Процессы вблизи поверхности катода

Электроны проводимости внутри катода находятся в беспорядочном тепловом движении. Те из них, которые оказываются вблизи поверхности катода и обладают при этом достаточно большой кинетической энергией при данной температуре, могут покидать катод, переходя в вакуум. Каждый выходящий электрон расходует запас своей энергии на преодоление сил притяжения со стороны избыточного положительного заряда, возникающего на поверхности катода в результате вылета электрона, и против сил отталкивания со стороны ранее вылетавших электронов. Покинувшие катод электроны (эмитированные катодом) располагаются вблизи поверхности катода, образуя «электронное облако». При постоянной температуре накала катода между электронами внутри его поверхности и «электронным облаком» устанавливается динамическое равновесие. Такое равновесие означает состояние, при котором электроны, подошедшие близко к поверхности катода, могут втягиваться внутрь него, но тотчас другие электроны эмитируются поверхностью. Таким образом, количество электронов в «облаке» не изменяется, а число их, втянутых в единицу времени на каждой единице поверхности катода, и количество электронов, эмитированных за единицу времени с единицы поверхности, в среднем одинаково.

Не скомпенсированный положительный заряд поверхности катода и «электронное облако» вблизи нее образуют двойной электрический слой, подобный конденсатору толщиной в несколько межатомных расстояний (d  10^-8 см).

Если анод А диода (рис.80.2) присоединить к положительному полюсу источника постоянного тока Е_а , а катод - к отрицательному , но электроны из «электронного облака» приобретут скорость направленного движения к аноду. Как только первые электроны покинут «облако», динамическое равновесие нарушится, накаливаемый катод восстановит его, эмитируя новые электроны взамен ушедших к аноду и т.д.

Вольтамперная характеристика диода

Зависимость анодного тока i_a от напряжения между катодом К и анодом А при постоянной температуре накала Т_H называется вольтамперной характеристикой диода ( рис.80.3 ).

Электроны из электронного облака под действием электрического поля между К и А образуют электрический ток i_a , измеряемый миллиамперметром mA (рис.80.2). Направление этого тока противоположно направлению движения электронов. Чем больше напряжение e_a, тем больше напряжённость поля между К и А, больше сила, действующая на каждый электрон (F_e = -eE), сообщающая ему скорость направленного перемещения. Следовательно, с увеличением e_a большее число электронов достигает анода в единицу времени и ток i_a возрастает (область 0-1-2-3 характеристики диода на рис.80.3)

ia , mA

3

ia2 2

ia1 1

iнас1 iнас2 iнас3

0 ea1 ea2 ea ,В

Рис.80.3

Возрастание тока i_a с увеличением e_a не подчиняется линейному закону. Это означает, что внутреннее сопротивление диода R_i току не является постоянным, а зависит от электронного облака и напряжённости поля между К и А. К таким участкам цепей нельзя применять закон Ома в интегральной форме. Анализ процессов внутри диода можно проводить, опираясь на формулу:

 

j = - e n V .

Богуславский и Ленгмюр независимо друг от друга показали, что для области 0-1-2-3 характеристики диода справедливо соотношение:

i_a = c·e_a^3/2, (80.1)

где с - коэффициент пропорциональности, зависящий от формы, размеров и расположения электродов. Формула (80.1) носит название закона Богуславского - Ленгмюра или «закона 3/2». «Закон 3/2» справедлив до тех пор, пока существует электронное облако вблизи катода. Тогда говорят, что диод работает в режиме пространственного заряда.

Когда анодное напряжение e_a становится настолько большим, что все электроны, эмитируемые катодом в единицу времени, попадают на анод (электронное облако отсутствует), ток i_a достигает своего максимального значения, называемого током насыщения. Величина тока насыщения iнас зависит от природы катода и температуры накала Тн. Чем выше Тн, тем интенсивнее эмиссия электронов и больше iнас. Температуру накала Тн можно изменить, изменяя ток накала, который регулируется напряжением накала eн.

Зависимость плотности тока насыщения jнас от параметров процессов в диоде выражается формулой Ричардсона - Дешмана:

jнас = ВТн²e ^{- Ав / kTн}, (80.2)

где В - эмиссионная постоянная, Тн - температура накала катода, k - постоянная Больцмана, Ав - работа выхода электрона с поверхности катода.

Если аноду А сообщить отрицательный потенциал (рис.80.2), а катоду К - положительный, то электрическое поле будет тормозить даже те электроны, которые покидали поверхность катода с начальной скоростью, отличной от нуля. При некотором сравнительно малом обратном напряжении ea (т.е. – e_a) ток i_a станет равным нулю. В этом случае говорят, что лампа «заперта».

Таким образом, диод может пропускать ток только в одном направлении, когда электроны движутся от катода к аноду, и не пропускают его в обратном направлении. Это свойство диода называют односторонней проводимостью. Такого рода устройство, пропускающее ток только в одном направлении, называют электрическими вентилями. Они широко применяются для выпрямления переменного тока., т.е. превращения его в постоянный ток. Вакуумные диоды, специально приспособленные для этой цели, в технике называют кенотроны.

Электронные лампы более сложного типа, нашедшие широкое применение в радиотехнике, автоматике и ряде других отраслей технике, содержат кроме накаленного катода, источнике электронов и собирающего эти электроны анода, дополнительные электроды в виде сетки, помещаемой между катодом и анодом.

Обоснование метода измерений.

Снятие нескольких вольтамперных характеристик и определение соответствующих им токов насыщения iнас позволяет далее рассчитать работу выхода электрона Ав с поверхности катода.

Учитывая, что плотность тока насыщения jнас можно представить в виде: jнас = iнас/S , где S - площадь поверхности анода, формула (80.2) запишется в виде:

iнас/S = ВТн² е^-Ав/кТн (80.3)

Прологарифмируем (80.3) и получим:

ln iнас -ln S = ln B + 2ln Тн - Ав/кТн,

или

ln iнас = ln S + ln B + 2ln Тн - Ав/к·1/Тн (80.4)

Известно, что величины ln S и ln Тн являются постоянными. Величина 2 ln Тн изменяется очень медленно по сравнению с величиной 1/Тн . Поэтому приближенно можно считать ( ln S + 2 ln Тн + ln В ) = const и вместо (80.4) записать:

ln iнас = const - Ав/кТн (80.5)

Если известно несколько значений тока насыщения iнас при разных Тн , то можно построить график зависимости ln iнас = f (1/Тн), который согласно (80.5) представляет собой прямую, идентичную той, которая показана на рис. 80.4 и которая аналогична уравнению прямой вида: y = в - сх . Здесь с = Ав/к = tg .

ln iнас Величину tg можно

определить из графика:

А tg = АВ/ВС

 С и затем рассчитать

В работу выхода Ав:

 1/Тн Ав = к · tg (80.6)

_О

Рис. 80.4

Описание установки.

Установка для снятия характеристик диода собрана на отдельной панели согласно схеме, приведенной на рис. 80.5.

Напряжение накала eн и ток накала iн регулируется потенциометром накала Пн и измеряются вольтметром Vн и амперметром Ан . Клеммы Ен подключаются к выпрямителю ВС-24М. Анодный ток ia измеряется миллиамперметром mA. Анодное напряжение ea регулируется анодным потенциометром Па и измеряется анодным вольтметром Va. Клеммы Еа подключаются к выпрямителю ВСА-4К (1 ступень до 100В). Оба выпрямителя располагаются отдельно от рабочей панели и включаются в сеть с напряжением 220В.

Рис. 80.5

Под миллиамперметром mA расположен тумблер, позволяющий изменить пределы измерения этого прибора. Под вольтметром Va находится тумблер, изменяющий пределы этого вольтметра ( 15В, 150В ). Перед началом работы следует поставить движки потенциометров Пн и Па в положение, соответствующее минимальным значениям напряжений, т.е. в положение 1.

Порядок выполнения работы.

1. Ознакомиться с элементами рабочей панели и определить цены делений измерительных приборов в цепи накала и в цепи анода. Записать в рабочей тетради цены делений всех приборов, учитывая, что для mA и Va будет две цены деления. Проверить положение движков потенциометров Па и Пн до включения в сеть!

2. Включить выпрямитель цепи накала, обеспечивающий Ен , в сеть на 220В. Постепенно с помощью Пн увеличивают напряжение накала ен до значения 1.8 ÷ 2.2 В. Подождать 2-3 мин. для установления стационарной эмиссии электронов при данном накале.

3. При неизменном ен включают выпрямитель анодной цепи. Миллиамперметр mA и вольтметр Va сначала включены на меньший предел измерения. Медленно изменяют положение ползунка Па в направлении к 2. При этом измеряют значения ia и еа ( через 15В ) до 100 В или до тех пор, пока не будет достигнут ток насыщения. Результаты измерений iа и еа записывают в таблицу 1. В таблице показывают и условия, при которых получена данная вольтамперная характеристика, т.е. значения тока накала iн и напряжения накала ен.

Таблица 1.

№		iн1= ,А	iн2= ,А	iн3= ,А	iн4= ,А
п/п	еа , В	ен1= ,В	eн2= ,В	eн3= ,В	eн4= ,В
		ia1= ,mA	iа2= ,mA	iа3= ,mA	iа4= ,mA
1 2 3 4 5 6 7 8	0 15 30 45 60 75 90 105

4. Описанным способом снимают 4 вольтамперные характеристики при разных напряжениях накала (величины их могут быть заданы преподавателем) в пределах от 1.8 до 2.2 В. Полученные данные заносят в таблицу 1.

5. На миллиметровой бумаге строят графики всех вольтамперных характеристик, используя один и тот же масштаб и координатные оси: ia = f(eа). Определяют величины токов насыщения iнас.

6. Для экспериментальной проверки «закона 3/2» снять одну вольтамперную характеристику от 0-15 В через каждые 3В при максимальном напряжении накала. Построить вольтамперную характеристику. Для этого на начальном участке (область 0-1-2-3 рис. 80.3) выбирают 2-3 произвольных значения iа1, iа2, iа3 и определяют соответствующие им величины еа1, еа2, еа3. Затем рассчитывают отношения: iа1/iа2 и ( еа1/еа2 )^3/2 и сравнивают их значения.

7. Для определения работы выхода электрона Ав по графику вида 80.4. необходимо сначала определить температуру накала катода Тн. Поэтому для каждого значения iнас находят величину сопротивления Rн нити накала по закону Ома по известным ен и iн. Зная зависимость сопротивления Rн от температуры Rн =Ro (1+t_н), определяют температуру накала. В этой формуле: =4.8·10^-3К^-1 - термический коэффициент сопротивления, Ro = 0.182 Ом.

Найденное значение tн выражают в абсолютной шкале (Тн = tн + 273). Такой расчёт проводят для каждого из четырёх значений тока насыщения. Результаты записывают в таблицу 2.

Таблица 2.

№ п/п	ен , В	iн , А	Rн,Ом	tн , Со	Тн , К	1/Тн , К-1	iнас, mA	ln iнас
1. 2. 3. 4.

8. По данным таблицы 2 на миллиметровой бумаге строят зависимость ln iнас = f (1/Тн) и по формуле (80.6) определяют работу выхода электрона Ав, выразив её в эВ. Значения Тн не значительно отличаются друг от друга. Вследствие этого величины 1/Тн имеют малое различие. Поэтому при построении графика ln iнас = f (1/Tн) следует подобрать масштаб для 1/Тн таким образом, чтобы точки на графике насколько возможно сильнее отличались по координате 1/Тн.

Вопросы для допуска к работе.

1. Что собой представляет диод ?

2. Какие характеристики диода необходимо снять в работе ? Сколько их ?

3. Как изменяют напряжение накала ен ?

4. Каким образом можно изменить анодное напряжение еа ?

5. Определите цены деления измерительных приборов в цепи накала и в цепи анода.

6. Как определить сопротивление нити накала Rн ?

7. Как определить температуру нити накала Тн ?

8. Какие графики необходимо построить в работе ?

9. Объясните назначение всех элементов, находящихся на рабочей панели.

Вопросы для сдачи работы.

1. Каким образом конструктивно выполняется катод и анод диода ?

Что собой представляет катод прямого и косвенного накала ?

2. Какое явление называют термоэлектронной эмиссией ? Почему необходимо накалять катод ?

3. Почему необходимо откачать воздух из баллона лампы ?

4. Какая величина называется работой выхода электрона ? В каких единицах она измеряется ? От чего зависит её значение ?

5. Что означает активация катода ? Как она влияет на эмиссию электронов ?

6. От чего зависит количество эмитируемых электронов в единицу времени ?

7. Что называют «электронным облаком» ? Как оно образуется ? Что означает состояние динамического равновесия ? Как оно нарушается и восстанавливается ?

8. Получение вольтамперной характеристики диода и объяснение этой зависимости .

9. Схема для снятия вольтамперной характеристики.

10. «Закон 3/2» . Формула Ричардсона - Дешмана.

11. От чего и как зависит величина тока насыщения ?

12. Для какой области значений анодных токов или напряжений справедлив «закон 3/2» ? Каков в этом случае режим работы диода ? Что можно сказать в этом случае об электронном облаке ?

13. Объяснение метода определения величины работы выхода электрона .

14. Как можно определить температуру накала Тн ?

15. Обсуждение полученных результатов и погрешностей при определении работы выхода электрона .

16. В чём заключается односторонняя проводимость диода ? В каких устройствах используют диод ?

Литература.

1. Савельев И.В. Курс общей физики, т.2, М., Наука. 1998г.

2. Кирьянов А.П. Конспект лекций . ч.3. Электричество и магнетизм. М., МГУДТ 2001г.

«Снятие вольтамперной характеристики диода и определение

работы выхода электрона.»