Изучение электронной лампы

Лабораторная работа № 8 Изучение электронной лампы

Цель работы. Экспериментальное изучение работы двухэлектродной и трехэлектродной электронной лампы. Измерение параметров электронной лампы.

Приборы и оборудование. Панель с электронной лампой, универсальный источник питания УИП-2, вольтметр, миллиамперметр.

1. Ток в вакууме

В вакууме не может существовать электрический ток, пока в нем отсутствуют носители электрических зарядов. Если в вакууме имеются электроны, то их направленное движение создаст ток, который и называется током в вакууме. На практике ток в вакууме существует в так называемых электронно-вакуумных приборах. К которым относятся электроннолучевые трубки осциллографов и телевизоров, электронные лампы, фотоумножители и т. д. Протекание тока в таких приборах не всегда подчиняется закону Ома.

В зависимости от того, как ведет себя сопротивление, когда по нему протекает ток, электрические цепи подразделяют на линейные и нелинейные цепи. Элемент электрической цепи называется линейным, если его сопротивление не зависит от силы протекающего тока или приложенного сопротивления. Электрические процессы, характеризующие такую цепь, описываются линейными уравнениями (закон Ома). Некоторые электронные и полупроводниковые элементы имеют нелинейную зависимость внутреннего сопротивления от протекающего тока. Примером элемента нелинейной электрической цепи может служить слой ионизированного газа или промежуток между катодом и анодом в вакуумной трубке при наличии электронной эмиссии с катода. Последний пример рассмотрим более подробно¹. При высокой температуре вследствие хаотичности теплового движения отдельные электроны металла приобретают избыток кинетической энергии, превышающей работу выхода А, и вылетают из металла. Это явление носит названия термоэлектронная эмиссия² (см. раб. № 7).

2. Двухэлектродная лампа

Для изучения явления термоэлектронной эмиссии и тока в вакууме рассмотрим схему, изображенную на рис. 8.1. В стеклянный баллон впаяны два электрода — катод К и анод А. Катод представляет собой металлическую спираль, нагреваемую протекающим в ней током I_н от вспомогательной цепи накала. Реостат накала R_нак позволяет регулировать величину этого тока, измеряемого амперметром А_н н нагревать катод до различных температур Т. Откачанный баллон Л с впаянными внутри него двумя электронами К и А изображенный на рис. 8.1, является простейшим электровакуумным прибором— двухэлектродной электронной лампой, или диодом³. Между катодом и анодом прикладывается значительная разность потенциалов V_a (до 100—200 В). Эго напряжение снимается с анодной батареи Б_а через потенциометр П и измеряется вольтметром. Передвигая движок потенциометраП, можно изменять величину V_a от нуля до максимального значения, определимого э.д.с. батареи.

Под действием приложенной разности потенциалов электроны, испущенные накаленным катодом, движутся к положительному электроду, аноду и замыкают цепь. Чтобы эти электроны не отклонялись в стороны при столкновениях с газовыми молекулами, баллон Л откачивается до вакуума. Ток I_a в анодной цепи измеряется последовательно включенным миллиамперметром (mA).

На рис. 8.2 изображена примерная зависимость анодного тока I_a от анодного напряжения V_a. Приложенное между электродами поле будет перетягивать часть электронов из электронного «облачка» вокруг накаленного катода на второй электрод и нарушит равновесие. Убыль электронов в «облачке» приведет к тому, что скорость «конденсации» электронов станет меньше скорости их испускания катодом, часть «испарившихся» из катода электронов уже не вернется обратно и притянется электрическим полем к аноду. Чем выше напряженность электрического поля между электродами, тем большая часть испущенных электронов увлекается полем и направляется к аноду и тем меньшая часть их захватывается катодом. В слабых полях вследствие наличия значительного объемного заряда электрическое поле вблизи катода сильно искажается. Это приводит к тому, что зависимость анодного тока I_a от приложенной разности потенциалов V_a (вольтамперная характеристика) имеет даже в слабых полях нелинейный характер.

При больших разностях потенциалов практически все электроны, «испаряющиеся» с катода, уносятся на анод и ток I_a перестает увеличиваться с ростом V_a . Это максимальное значение I_нас носит название тока насыщения. Если повысить температуру катода от Т₁ до Т₂ >Т₁, то испускание электронов усилится и вся вольтамперная характеристика пойдет выше (см. рис. 8.2). Увеличится при этом и ток насыщения I_нас. Точный теоретический расчет с учетом волновых свойств электронов в металле приводит к следующей зависимости плотности тока насыщения от температуры (см. лаб. № 7):

, (8.1)

здесь S – площадь катода, Т – его абсолютная температуря, В – константа, А – работа выхода и в показателе стоит отношение работы выхода электрона из металла А к средней энергии теплового движения kT .

Ток при комнатной температуре неизмеримо мал. Однако с повышением температур ток насыщения очень круто возрастает. Согласно (8.1) при увеличении температуры на 5^o множитель Т² возрастает примерно на 2%, а множитель ехр() почта в 3 раза. Зависимость (8.1), изображенная на рис. 8.2, определяется главным образом экспоненциальным множителем, и при температурах порядка 2000^о термоэлектронный ток в вакууме достигает вполне измеримых значений. Для снижения температур накала, при которых термоэлектронный ток достигает заметной величины, необходимо уменьшать величину работы выхода А в показателе выражения (8.1). Работа выхода существенно зависит от состояния поверхности металла, поэтому такого снижения можно добиться с помощью добавления незначительных примесей в поверхностный слой металла. Так, покрытие вольфрамовых нитей одномолекулярным слоем тория резко снижает работу выхода и дает возможность получать заметную термоэлектронную эмиссию уже при температурах порядка 1000^оС. Широкое применение имеют так называемые оксидные катоды, поверхность которых состоит из окисей металлов (ВаО и др.), частично разлагающихся при накале.

Е

Рис. 8.3. Выпрямление переменного напряжения. 1- входное напряжение; 2 – осциллограмма напряжения после диода.

сли в описанном выше опыте изменить направление электрического поля и присоединить накаливаемый электродК не к минусу, а к плюсу батареи, то поле будет прижимать электронные облачко электроду, электроны будут возвращаться обратно на нить и через безвоздушный промежуток ток идти не будет. На этом принципе основано применение диодов для выпрямления переменного тока⁴. Будучи включенным в электрический контур, диод играет а нем роль клапана, пропускающего ток лишь в одном направлении в течение одного полупериода, когда на катоде минус, а на аноде - плюс. При противоположной полярности тока лампа «заперта» и ток не проходит через лампу (рис. 8.3).