Описание эксперимента

В установке дополнительно к схеме (рис. 4.1) установлен делитель

напряжения на выходе вспомогательного источника. В качестве этого

источника

используется

стабилизированный

выход

блока

питания

калькулятора с напряжением 5 В. Эталонным источником служит

нормальный ненасыщенный элемент Э–303 с весьма стабильным

значением ЭДС э 1,0186 В при 20С и малой зависимостью от

температуры. Его недостатком являются малые значения допустимых

токов (порядка единиц микроампера), что не позволяет воспользоваться в

установке низкоомным реохордом. В установке роль высокоомного

реохорда выполняет круговой реостат.

Порядок выполнения работы

1. Включите в сеть вспомогательный источник.

2. Замкните ключ К и переключатель П установите в положение э .

При этом в схему подключается нормальный элемент.

3. Переключите

тумблер

на

панели

установки

в

положение

«компенсация».

4. Вращая рукоятку реостата компенсации, добейтесь нулевого (или

весьма близкого к таковому) тока через гальванометр.

5. Переключите тумблер в положение «измерение R2э + R2х».

Запишите измеренное значение сопротивления R2э.

6. Установите переключатель П в положение х . При этом в схему

подключается исследуемый источник тока (сухой элемент А – 20).

7. Добейтесь нулевого тока через гальванометр при этом источнике и

измерьте сопротивление R2х.

22

8. Делителем напряжения измените значение 0 и повторите опыт

согласно пунктам 2 — 7 еще дважды.

9. Найдите среднее значение

 х

по результатам трех серий

измерений. Оцените погрешность полученного результата. Результаты

занесите в таблицу.

Контрольные вопросы

1. Метод компенсации является по своей сути относительным

методом измерения ЭДС. Как можно определить ЭДС источника

абсолютным методом?

2. В работе определяется ЭДС источника постоянного тока. Можно

ли аналогичным образом определять переменную ЭДС?

3. Выведите расчетную формулу (4.6).

4. Какой из элементов экспериментальной установки в наибольшей

степени влияет на погрешность измерений?

5. Можно ли на данной установке изучить законы соединения

источников? Если да, то как?

23

№ изм.	R2x, Ом	R2э, Ом	x, В		2 	S	tp,n		
1.
2.
3.
Сред.

Лабораторная работа № 2.5

ПРОВЕРКА УРАВНЕНИЯ БОГУСЛАВСКОГО – ЛЕНГМЮРА.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА

Цель

работы:

исследование

вольтамперной

характеристики

вакуумного диода и определение удельного заряда электрона на основании

уравнения Богуславского – Ленгмюра.

Теоретические сведения

Простейшим электронно-вакуумным прибором является вакуумный

диод. Он представляет собой герметичный стеклянный баллон, из которого

откачен воздух до давления 10-7 мм рт. ст., и два металлических электрода

– анод и катод, расположенных внутри него. Электроды представляют

собой два соосных тонкостенных цилиндра (катод внутри анода), часто

катод выполняют просто в виде нити.

Для создания свободных зарядов в пространстве между электродами

используется явление термоэлектронной эмиссии. Для этого катод

разогревают либо непосредственным пропусканием тока через него (если

катод изготовлен в виде нити), либо через дополнительную спираль,

расположенную внутри цилиндрического катода. Величина анодного тока

диода зависит и от анодного напряжения, и от напряжения накала.

Электроны покидают катод с некоторой, отличной от нуля, скоростью. Это

обусловливает наличие анодного тока, даже если напряжение между

анодом и катодом равно нулю. Поэтому необходимо приложить некоторое

отрицательное напряжение, чтобы анодный ток стал равным нулю.

Вольтамперные характеристики (ВАХ) диода нелинейные. Это

свидетельствует о непостоянстве дифференциального сопротивления

вакуумного

диода,

что

обусловлено

образованием

вокруг

катода

объемного отрицательного заряда и его изменением, как при изменении

напряжения накала, так и анодного напряжения. В этом изменении играют

роль два противоборствующих процесса. Один из них обусловлен

притоком эмитирующих из нити накала электронов, а другой — оттоком

электронов под воздействием электрического поля между катодом и

анодом. При заданном напряжении накала, начиная с некоторого анодного

24

напряжения, происходит полное рассасывание объемного заряда. Все

эмитирующие электроны сразу принимают участие в образовании

анодного тока. Поэтому ток уже не растет за счет числа увлекаемых полем

электронов. Наступает состояние насыщения. Незначительный рост тока

обусловлен только ростом скорости дрейфа электронов. Ричардсон и

Дешман нашли формулу для тока насыщения в диоде.

.

 KT

(5.1)

Здесь А — некоторая константа; S — площадь катода; Т —

температура нити накала; К — постоянная Больцмана; е — работа

выхода электрона из нити накала.

Для увеличения тока насыщения увеличивают Т (ток через нить

накала) и уменьшают работу выхода (покрывают нить особыми

составами).

В области достаточно далекой от состояния насыщения Ленгмюром

и Богуславским было найдено уравнение ВАХ вакуумного диода

I A CU A

32

.

(5.2)

Уравнение получило название закона трех вторых и хорошо

подтверждается многочисленными исследованиями.

Входящая в закон трех вторых константа С зависит от конструкции

системы катод — анод. Если эта система имеет вид цилиндрических

коаксиальных электродов, то

С

8 2

9

е l0

m r 2

.

(5.3)

Здесь е m — удельный заряд электрона; r — радиус анода; l — его

длина; — величина, зависящая от соотношения между радиусами анода

и катода.

Закон трех вторых не имеет универсального характера и справедлив

лишь в узком интервале токов и напряжений и при достаточно большой

разности потенциалов перестает выполняться. Другие отклонения от

закона трех вторых могут быть обусловлены целым рядом причин:

1) асимметрия системы катод — анод,

2) неэквипотенциальность катода,

25

I’€– AST 2 exp

 e

3) различие скоростей вылета термоэлектронов,

4) наличие остатков газов,

5) наличие контактной разности потенциалов катод — анод (если

они выполнены из разных металлов).