Порядок виконання роботи та опрацювання результатів

1. Скласти електричне коло установки, зображеної на рис. ЕП 12.3

2. Визначити опір термопари разом зі з’єднувальними дротами (якщо опір не зазначений) за допомогою мосту постійного струму (зміною опору термопари залежно від температури можна знехтувати).

3. Встановити за допомогою регулятора стрілку гальванометра на нуль (при розімкненому колі).

4. Визначити за допомогою термометра Т₁ температуру холодного спаю (температуру води посудини, в яку вміщено холодний спай).

5. Повільно підігрівати водяну ванну, в якій розміщено інший спай термопари. Визначати термометром Т₂ температуру води через кожні 5−8°С і одночасно записувати показання гальванометра (мікровольтметра).

6. Зробити не менш десяти вимірювань

7. Занести результати вимірювань до таблиці.

№ порядку	Показання термометра, °С		Різниця темпера-тур °С	Покази гальвано-метра (мікрово-льтметра) n поділок	Струм, А	Опір, Ом		Термо-ЕРС εт, В
	Т1	Т2				Гальва-нометра (мікро-вольтметра).	Термо-пари
1
2
3
,,,
10

8. Визначити за виразом (ЕП 12.2) значення ₁ для кожного досліду й занести їх до таблиці.

9. Побудувати в прямокутній системі координат графік функції  _т.= f (ΔТ).

10. Обчислити значення за формулою (ЕП 12.1) для кожного (Т_2і - Т₁)

11. Обчислити середнє значення . Статистично опрацювати результати при довірчій ймовірності Р=0,95 як для прямих вимірювань.

Контрольні запитання

1. Що таке робота виходу електрона з металу ?

2. Що розуміють під стрибком потенціалу на межі металу?

3. Сформулюйте перший та другий закони Вольта.

4. Поясніть причини виникнення контактної різниці потенціалів.

5. У чому полягає явище Зеєбека?

6. Що таке термоЕРС?

7. Де використовуються термопари?

Література: [1, §10.1; 10.2; 2. § 117, 118 ]

Лабораторна робота ЕП 13

Вивчення роботи трьохелектродної лампи

Мета й завдання роботи: вивчити явище термоелектронної емісії, дослідити вольтамперні характеристики лампи; визначити параметри лампи.

Основні теоретичні відомості

У металах завжди є вільні електрони. Найбільш швидкі електрони можуть вилітати з металу. При збільшенні температури швидкість теплового руху електронів збільшується, завдяки чому зростає кількість електронів, які вириваються з металу.

Навколо поверхні металу утворюється електронна з певним негативним зарядом, а метал заряджено позитивно. Утворений своєрідний „конденсатор” протидіє виходу електронів з металу. При виході електрона з металу йому треба виконати роботу виходу та подолати затримувальний потенціал на межі металу і вакууму.

Робота виходу

А = еΔφ, (ЕП 12.1)

де е – заряд електрона; Δφ – різниця потенціалів між обкладками „конденсатора”, яка називається контактною різницею потенціалів між металом та навколишнім середовищем.

Явище виривання електронів з металів називають емісією. Емісія, зумовлена тепловим рухом вільних електронів, називається термоелектронною. Можна також сказати, що термоелектронна емісія − це явище випромінювання електронів нагрітими металами. Вона широко застосовується у вакуумних електронних лампах, електронно-променевих трубках тощо.

Найпростішою електронною лампою є діод, що являє собою балон, в якому створено вакуум, з двома впаяними електродами. Електрод, приєднаний до негативного полюса джерела струму, називається катодом; приєднаний до позитивного полюса – анодом. Катод нагрівається (при пропусканні через нього струму), в результаті чого випромінює електрони. Біля катода утворюється електронна хмарка, яка перешкоджає руху електронів до анода. Тільки найшвидкіші електрони досягають анода і в анодному колі виникає малий струм. Якщо катод приєднати до негативного полюса анодної батареї, а анод – до позитивного, то електрони будуть прискорюватися утвореним електричним полем, і через лампу піде так званий анодний струм. Якщо до катода прикласти позитивний, а до анода – негативний потенціали, струму у колі не буде (електрони будуть притискатись полем до катода ), тобто діод пропускає струм тільки в одному напрямку. Цю властивість діода застосовують для випрямлення змінного струму.

Сила струму залежить від температури катода, анодної напруги, матеріалу катода і геометрії електродів. Залежність анодного струму І_а від анодної напруги U_а називається вольтамперною характеристикою. Залежність анодного струму від напруги описує закон Богуславського − Ленгмюра:

І_а = αU_а^3/2, (ЕП 13. 2)

де α – стала, залежна від форми і розмірів електродів.

Як видно, залежність І_а=f(Uа) для діода не описується законом Ома. Закон Богуславського − Ленгмюра інколи називають „законом трьох других”. Анодний струм зростає з підвищенням напруги (при сталій температурі катода ) до деякого певного значення. Максимальний анодний струм, можливий при даній температурі катода, називається струмом насичення. Подальше зростання струму неможливе, оскільки всі електрони, які емітуються катодом, досягають анода. Густину струму насичення, яка вводиться як

(ЕП 13. 3)

де S_кат – площа поперечного перерізу катода, можна визначати за формулою Річардсона − Дешмена:

J_нас = BT₂ e^-, (ЕП 13. 4)

де В – стала, однакова для всіх металів; А – робота виходу електрона з металу; k – стала Больцмана.

Для генерування електромагнітних коливань, підсилення змінного струму та напруги використовують трьохелектродні лампи – тріоди. У тріоді між катодом і анодом розміщується третій електрод – сітка, звичайно виконана у вигляді спіралі, що обвиває катод. Напруга, прикладена між сіткою й катодом, називається сітковою. Сітка розміщена ближче до катода, ніж до анода, тому зміна сіткової напруги більше впливає на анодний струм, ніж така сама зміна анодної напруги, тобто напруги між катодом та анодом. Якщо на сітку подати позитивний потенціал, потік електронів зростає під дією прискорювального поля; якщо на сітку подати достатньо великий негативний потенціал, електрони не зможуть подолати відштовхувальне поле, створене сіткою, і анодний струм дорівнюватиме нулю. У цьому разі вважають, що лампа замкнена. Отже, величиною анодного струму у лампі можна керувати за допомогою напруги, прикладеної між катодом та сіткою. Тому сітку лампи називають керуючою.

Найважливішими характеристиками багатоелектродних ламп є сіткова характеристика (залежність анодного струму І_а від сіткової напруги U_c при сталій анодній напрузі U_a, тобто І_а = f ( U_c ) при U_a=const ) та анодна характеристика (залежність анодного струму від анодної напруги при сталій сітковій напрузі, тобто І_а = f ( U_a ) при U_c=const ).

Величини, які характеризують якість та властивості електронних ламп, називаються параметрами лампи. Такими параметрами є крутість сіткової характеристики S, внутрішній опір R та коефіцієнт підсилення μ.

Крутість сіткової характеристики показує, на скільки міліампер змінюється анодний струм при зміні сіткової напруги на 1 В при сталій анодній напрузі:

при U_a=const (ЕП 13. 5)

Внутрішній опір показує, на скільки вольтів треба змінити напругу, щоб анодний струм змінився на 1 мА при сталій сітковій напрузі:

, при U_c=const. (ЕП 13.6)

Коефіцієнт підсилення показує, у скільки разів зміна напруги на сітці діє сильніше, ніж така сама зміна анодної напруги:

, при U_c=const. (ЕП 13. 7 )

Зв’язок між основними параметрами лампи виражається співвідношенням

μ= SR. (ЕП 13. 8)

Криві двох сіткових характеристиках, знятих при різних анодних напругах U_a1 та U_a2, наведено на Рис. ЕП 13.1. Зміни напруги на сітці ΔU_c та анодного струму ΔІ_а визначають на лінійних ділянках наведених характеристик. Тоді, знайшовши ще величину зміни анодної напруги як ΔU_a = U_a2 – U_a1, за формулами (ЕП 13.5), (ЕП 13.7), можна визначити параметри лампи S , R , μ .

Прилади та обладнання: трьохелектродна лампа, три вольтметри, міліамперметр, магазин опорів, випрямлячі В24м та ВУМ-2м, з’єднувальні провідники.