852

ФСгlсра.1ЫIОС Ю"СIПСТВО по обра"ЮRaJШЮ

Московская ГОСУ:lарствснная ака;IС\ШИ ТОIIКОЙ

ХII\ШЧССКОЙ ТСХIIО:IOПIII 11\1. :\1.В.•:l0\lOlIосова

Кафe;tра фишки

ЛУХИllа В.Н., РО;ЩОIIОВ:l Е.В.

Опытная провсрка закона С)"СНСНII трех вторых

11:Ш вакуу\tIIОН) :tИОilа и ОПрС,tслсние ВС.IIIЧИПЫ

}'аслыlOГО "Jаряда ),:]сктрона (<-)11-2)

ОПРС:tС:IСIIИС I'ОРНlOнта.1ЫIОЙ состаRЛЯЮШСII

наllрИlh:СIllIOСТlI J"eО!\fЮНИПIOI'О IЮ:ISf с 11O\f()ЩЫО

танП'нс-га.1ЫШНО\lстра (:\IЯ-2)

(У'ICi"'iIlO-\tСI O.ll11JCCh:OC ПОС()UIJС)

;\10сква 2005

http://www.mitht.ru/e-library

Лабораторная работа ЭП-2

Опытная проверка закона степени трех вторых для

вакуумного диода и определение величины удельного заряда

электрона

1.1. Цель работы

1. Ознакомление с устройством и нринципом действия

вакуумного диода.

2. Опытная проверка закона степени трех вторых пугем

измерения вольт-амперных характеристик диода.

3. Определение величины удельного заряда электрона

по полученным экспериментальным данным.

1.2. Теоретические основы работы

Электронные лампы являются важнейшими деталями радиопередатчиков, радиоприемников, усилителей и выпря- , мителей. С помощью электронных ламп осушествляется

генерация, усиление и выпрямление переменных токов

любой частоты. Благодаря своим свойствам они получили широкое применение в самых различных областях совре­ менной науки и техники.

Так как в электронных лампах используется направ­

ленное движение свободных электронов, необходимо создание электронов в большом количестве. Явление

испускания свободных электронов с поверхности металлов

называется элеКIPОННОЙ эмиссией. Испускание электронов

под влиянием тепла называют термоэлектронной эмиссией;

при облучении металла видимым светом, ультрафиоле­

товым, рентгеновским или гамма-излучением называют

фотоэлектронной эмиссией; при облучении заряженными частицами - вторичной элеК1РОННОЙ эмиссией; при создании

http://www.mitht.ru/e-library

4

сильного электрического поля - автоэлектронной эмиссией. В данной работе испускание электронов осуществляется

путем нагрева металлического катода, Т.е. используется

термоэлектронная эмиссия.

Простейшей электронной лампой является двух­ электродная лампа или вакуумный диод. Этот прибор представляет собой герметичный стеклянный или металли­

ческий баллон, откачанный до высокого вакуума. Внутри

баллона находятся два электрода: подогреваемый металли- (lеский катод и холодный металлический анод, на который с помощью внешнего источника подается положительный

относительно катода потенциал. Условное изображение диода

представлено на рисунке 1.1. В зависимости от способа нагрева (накала) катоды, служащие для эмиссии электронов,

делятся на два типа: катоды прямого накала и катоды

косвенного накала (подогревные). В первых ток накала

проходит непосредственно через нить катода. В подогревных катодах спира.'1Ь, по которой проходит ток накала является

только нагревательным элементом и в процессе эмиссии

электронов непосредственно не участвует. Эта спираль

помещена внутри керамического цилиндра. На цилиндр надета никелевая трубка, покрытая снаружи эмитирующим оксидным слоем, играющим роль катода. Подогревный катод требует большой мощности накала, но он имеет преиму­

щество при питании цепи накала переменным током.

Металлы представляют собой твердые тела, в узлах кристаллической решетки которых располагаются положи­ тельно заряженные ионы. В пространстве между ионами находятся электроны, которые могут свободно перемещаться

внутри металла. В отсутствии внешнего электрического поля электроны совершают беспорядочное тепловое движение. При

комнатной температуре лишь незначительное количество электронов может покинуть пределы металла. С повышением

температуры металла электроны получают дополнительную

http://www.mitht.ru/e-library

5

кинетическую энергию, и таким образом возрастает вероят­

ность выхода электронов из металла.

При прохождении электрического тока по спирали

накала металлический катод нагревается и испускает

электроны. Вблизи поверхности катода образуется

электронное облако, имеющее отрицательный объемный пространственный заряд и находящееся втермодинами-

ческом равновесии с металлом катода. Электрическое поле, создаваемое электронным облаком, препятствует вылету из

катода следующих электронов, поэтому эмиссия электронов

с его поверхности постепенно уменьшается. По мере

увеличения числа электронов вокрут катода ток электронов,

вылетающих с катода, все более компенсируется током электронов, оседающих на нем. Когда компенсация станет

полной, ток электронов с катода прекращается.

Если приложить к аноду положительный относительно катода потенциал, то появившееся в электронной лампе

электрическое поле вызывает движение электронов по

направлению к аноду, и в анодной цепи появляется электри­

ческий ток. Электронное облако начинает рассасываться, и

с катода взамен ушедшим электронам поступают новые.

На рис 1.1 изображена схема включения вакуумного

диода.

Диод

Рис 1.1. Схема включеllUЯ вакуумного диода.

http://www.mitht.ru/e-library

6

Цепь, образованная источником накала БII и нитью катода, называется цепью накала. Она предназначена для обеспечения необходимого нагрева катода. Напряжение на

концах нити носит название напряжения накала UH ,

созданный им в нити электрический ток - ток накала.

Анодная цепь образована батареей БА' замкнутой на электроды диода. Разность потенциалов между катодом и

анодом называют анодным напряжением UА' Амперметр @

служит для измерения анодного тока Iл, представляюшего

собой поток электронов, летящих от катода к аноду внутри

лампы.

Важной характеристикой электронных ламп является

зависимость анодного тока от анодного напряжения при

постоянной температуре накала катода. График этой зависимости называется вольт-амперной характеристикой. На

рис.l.2 показаны вольт-амперные характеристики вакуум­

ного диода при различных температурах накала катода.

о

РиС.].2. Вольт-амперные характеристики диода при различных темnература:'<. накала катода.

http://www.mitht.ru/e-library

7

Как ВИДНО на графике, когда потенциал анода относи­

тельно катода равен нулю, сила анодного тока мала. Она определяется небольшим количеством термоэлектронов,

обладающих достаточно большой кинетической энергией и способных самостоятельно достичь анола. Вследствие этого

ипри отсутствии электрического поля между катодом и

анодом в диоде будет течь слабый ток. Чтобы сделать анодный ток равным нулю, необходимо между анодом и катодом

приложить отрицательное напряжение, носящее название

напряжения запирания UЗ' Поэтому вольт-амперная характе­

ристика диода начинается не в нуле, а несколько левее

начала координат.

При небольшом увеличении положительного потен­

циала анода относительно катода электрическое поле между

электродами обусловлено как анодным напряжением UА' так и отрицательным пространственным зарядом вблизи

катода, тормозящим электроны, вылетающие с поверхности

катода. По мере роста анодного напряжения концентрация

электронов в облаке пространственного заряда уменьшается.

Тормозящее действие электронного облака становится меньшим, и анодный ток увеличивается (участок LM на

рис. 1.2).

Как видно из рис.l.2 зависимость анодного тока от

анодного напряжения на этом участке не носит линейный

характер, следовательно, закон Ома для вакуумного диода не выполняется. Теоретически зависимость анодного тока от анодного напряжения на участке LM определяется формулой Богуславского-Ленгмюра и называется "законом степени трех вторых":

где k - константа, определяемая размерами и формой

http://www.mitht.ru/e-library

8

электродов лампы и не зависящая от температуры катода.

Например, для случая плоских электродов согласно теорс­

тическим расчетам:

где Ь - расстояние между электродами, 80 = 8,85·10-12 Ф/м

- электрическая постоянная, е и т - заряд и масса электрона

соотвстственно.

По мере роста анодного напряжения электронное

облако вблизи катода рассасывается, и все больше :элек­

тронов, вылстевших с катода, достигают анода. Начиная с некоторого значения UА' все вылетевшие с поверхности

катода за единицу врсмени электроны достигают анода.

Дальнейший рост анодного напряжения не может увеличить силу анодного тока, то есть достигается насыщение. При

:этом "закон степени трех вторых" утрачивает силу, а анод­ ный ток остается постоянным и носит название "тока насыщения".

Величина тока насыщения определяется количеством

электронов, испускаемых с поверхности катода в единицу

времени. Очевидно, что эта величина зависит от температуры

нагрева катода, изменение которой вызывает изменение и

значения анодного напряжения, при котором достигается

насышенис.

Плотность тока насыщения, т.е. сила тока насыщения,

отнесенная к единице поверхности катода, вычисляется по

где А - постоянная величина, теоретическое значение которой

для чистой IIоверхности металла равно 120А/(см2·К2), т - абсолютная температура катода, е - зарял электрона,

http://www.mitht.ru/e-library

9

q> - потешIИал выхода электрона из металла, k - постоянная

БОЛЫIмана, равная 1,38·10-23джjК

Изучение вольт-амперных характеристик вакуумного

диода и составляет содержание данной работы.

1.3. Экспериментальная установка и расчетная формула

Принципиальная схема экспериментальной установки представлена на рис.1.3. Установка состоит из электронной лампы (диода) 1, миллиамперметра 2, вольтметра 3, измеря­

ющих величину анодного тока и анодного напряжения, и

потенциометра 4, регулирующего напряжение в анодной

цепи. В цепи накала имеется переключатель 5, с помощью которого можно менять напряжение накала катода. Переклю­

чатели 6 и 7 обеспечивают подачу питания в цепи накала и анодной цепи соответственно. Трансформатор 8 в цепи накала

и выпрямитель 9 в анодной цепи установлены за щитом

установки.

-rБА

7

РиС.1.З. Схелю экспериментальной ус'mанов"и.

http://www.mitht.ru/e-library

10

В данной работе используется диод типа 2И2С с коакси­

альными цилиндрическими электродами. Для электродов

такой формы зависимость анодного тока от анодного

напряжения дается выражением:

(1.4)

где r - радиус анода, L - длина катода, 132 - КОЭффИllиент,

зависящий от отношения радиусов анода и катода.

Согласно формуле (1.4) график зависимости Iл = f(UАЗ/2) представляет собой прямую, тангенс угла

наклона которой равен следующему выражению

(1.5)

Из (1.5) может быть выражен удельный заряд электрона

(1.6)

Геометрические параметры используемой в данной

работе электронной лампы 2и2С таковы, что окончательная

формула для расчета величины удельного заряда электрона имеет следующий вид:

1.4. Приборы и принадлежности

Вакуумный диод 2Ц2С, вольтметр, миллиамперметр,

переключатель, лабораторный автотрансформатор (ЛАТР-l),

выпрямительный мост.

http://www.mitht.ru/e-library

]]

1.5. Порядок выполнения работы

1). Ознакомьтесь по схеме рисунка 1.3 с собранной и

подготовленной к работе экспериментальной установкой.

Определите цену деления вольтметра и миллиамперметра. 2). Подключите шнуры питания измерительных приборов к сети -220В. Включите тумблер 7, находящийся на щите

установки.

3). Установите переключатель 5 в первое из указанных на

щите установки значений напряжения накала (Uш = 1,8B). Дайте диоду возможность прогреться в течение двух-трех

минут.

4). Меняя регулятором 4, находящимся на ЛАТРе, анодное напряжение в пределах от О дО 210В через каждые 15В, проведите измерения анодного тока. Полученные данные

запишите в таблицу.

5). Повторите процедуру измерений по пунктам 3) и 4) для

двух других значений напряжения накала (Uю = 2,2В,

UIO = 2,5В).

6). По данным измерений постройте вольт-амперные

характеристики диода для трех значений напряжения накала.

7). Постройте графики зависимости анодного тока от анодного напряжения в степени трех вторых IA = f(U/12)

ДЛЯ трех значений напряжения накала.

8). По графикам IA = f(UA3/2) при UH = const определите тангенс угла наклона tg о: = ЫЛ/AU:\3/2.

9). По формуле (1.7), учитывая то, что tg (I = k, рассчитайте

величину удельного заряда электрона для трех значений

напряжения накала. Найдите среднее арифметическое

значение удельного заряда электрона. Полученные значения

запишите в таблицу.

1О). Оцените относительную ошибку расчета удельного заряда

электрона, сравнив полученное значение с истинным, взяв

табличные значения массы и заряда электрона.

http://www.mitht.ru/e-library