Выполнение работы

1. Соберите схему рис.4

2. Установите в ванне систему двух электродов. Поместите зонд вблизи одного из электродов, а движок на делителе напряжения вблизи того конца реостата, к которому подсоединен этот электрод.

При поиске эквипотенциальной линии и при перемещении движка реостата, стрелка гальванометра не должна зашкаливать!

3. С разрешения преподавателя подключите схему к источнику постоянного тока.

4. Исследуйте зондом и зарисуйте пантографом эквипотенциальные линии поля между электродами. Около обоих концов каждой линии запишите соответствующие показания вольтметра. При всех измерениях особенно подробно исследуйте те участки поля, где эквипотенциальные линии, построенные через равные интервалы напряжения, располагаются с большей густотой.

5. Поместите в ванну поочередно все наборы электродов, исследуйте и зарисуйте структуру соответствующих полей.

6. Поместите в середину ванны в поле, ранее исследованное для какой-либо пары электродов, металлический цилиндр и исследуйте структуру поля в новых условиях.

7. Проделайте то же самое, что и в пункте 6, но с диэлектрическим цилиндром.

8. По полученным системам эквипотенциальных линий постройте для всех изученных полей картину силовых линий.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение напряженности электростатического поля и напишите выражение для напряженности поля точечного заряда.

2. Дайте определение потенциала электростатического поля и напишите выражение для потенциала поля точечного заряда.

3. Что указывает на потенциальность электростатического поля?

4. Напишите формулу для вычисления работы в электростатическом поле.

5. Как математически связаны напряженность и потенциал электростатического поля?

6. Как расположены друг относительно друга силовые линии и эквипотенциальные поверхности?

7. Чему равны напряженность и потенциал электрического поля внутри металла (диэлектрика)?

Работа № 4. Изучение работы трехэлектродной лампы

Приборы и принадлежности: трехэлектродная электронная лампа (триод), выпрямители переменного тока на 300 В и 4 (или 12) В, два вольтметра, миллиамперметр, два реостата, два ключа, переключатель полярности (коммутатор).

Краткая теория

В основе работы электронной лампы лежит явление термоэлектронной эмиссии, которое состоит в испускании электронов нагретыми металлами.

Простейшей электронной лампой, состоящей из катода и анода, является диод. Если составить электрическую цепь, содержащую такой вакуумный диод, источник анодного напряжения Б_а, источник напряжения нити накала катода Б_н и миллиамперметр (рис.1), то при нагретом катоде через лампу пойдет ток J_а, называемый анодным током.

Опыт показывает, что сила тока J_а зависит от температуры катода, материала, из которого он сделан, и разности потенциалов между катодом и анодом. При постоянной температуре катода сила анодного тока возрастает с увеличением разности потенциалов U_а между электродами. Однако зависимость между силой тока J_а и разностью потенциалов U_а не выражается законом Ома и носит более сложный характер, графически представленный для двух температур накала нити катода на рис.2. При малых анодных напряжениях сила тока J_а вначале медленно растет с повышением напряжения. Это объясняется тем, что при малых значениях U_а не все электроны, испускаемые катодом, достигают анода. Часть электронов образует между катодом и анодом электронное облако (отрицательный пространственный заряд), которое препятствует движению к аноду вновь вылетающих из катода электронов. По мере увеличения напряжения U_а электронное облако рассеивается и ток J_а растет. Начиная с некоторого определенного значения U_н, дальнейшее возрастание силы тока вообще прекращается, т.е. ток достигает насыщения. Это объясняется тем, что все электроны, испускаемые нитью, достигают анода. Сила тока насыщения J_н численно равна заряду всех электронов, испускаемых в единицу времени данным катодом при данной температуре.

Зависимость анодного тока от анодного напряжения называется анодной характеристикой диода. Богуславский и Ленгмюр независимо друг от друга показали, что при U_а< U_н зависимость анодного тока от анодного напряжения описывается формулой (закон «трех вторых»):

, (1)

где В – коэффициент пропорциональности, зависящий от формы, размеров и

взаимного расположения электродов. В области насыщения закон «трех вторых» теряет силу.

Как следует из рис. 2, для того чтобы повысить силу тока насыщения, необходимо повысить температуру катода. Зависимость силы тока насыщения от температуры катода выражается теоретической формулой Ричардсона: (2)

где S – площадь катода, Т – температура катода, А – работа выхода электронов из катода, е – основание натуральных логарифмов, к – постоянная Больцмана, с – эмиссионная постоянная, теоретическое значение которой одинаково для всех металлов и равно с = 6,02·10⁵ А/(м²К²).

Так как ток в диоде возможен только тогда, когда на аноде положительный потенциал, то диод обладает односторонней проводимостью, т.е. пропускает ток только в одном направлении. Диод, служащий для выпрямления переменного тока, называется кенотроном.

Часто возникает необходимость усиления переменного тока или напряжения. Для этой цели используют трехэлектронные лампы – триоды. Триод отличается от диода тем, что между катодом и анодом находится третий электрод – металлическая сетка. Между сеткой и катодом прикладывается напряжение U_с, которое называется сеточным, и, следовательно, создается возможность управления анодным током путем изменения напряжения на сетке. Так как сетка находится гораздо ближе к катоду, чем анод, то изменение потенциала на сетке оказывает большее влияние на анодный, чем такое же изменение потенциала на аноде. Если к сетке приложить положительное напряжение относительно катода, то поток электронов, испускаемых катодом, будет ускоряться, В случае, если потенциал сетки отрицательный, то поток электронов будет тормозиться. Потенциал сетки, при котором анодный ток равен нулю, называется потенциалом запирания лампы. Потенциал запирания лампы зависит от анодного напряжения: чем больше U_a, тем больший отрицательный потенциал надо создать на сетке, чтобы «запереть» лампу. Сетка позволяет управлять режимом работы лампы и поэтому ее называют управляющей сеткой.

Основные параметры триода можно определить, снимая так называемые анодные и сеточные характеристики. Если в анодной цепи триода нет нагрузки (сопротивления), то снимаемые характеристики называются статическими, а в случае наличия нагрузки в анодной цепи характеристики называются динамическими.

Напряжение между анодом и катодом называют анодным напряжением, между сеткой и катодом – сеточным.

Зависимость анодного тока J_a триода от анодного напряжения U_a при постоянном сеточном напряжении U_c называется анодной характеристикой: J_{a =} f (U_a) при U_c = const.

Зависимость анодного тока J_a от сеточного напряжения U_c при постоянном анодном напряжении U_a называется сеточной характеристикой:

J_{a =} f (U_c) при U_a = const.

На рис. 3 представлено семейство анодных характеристик триода при трех сеточных напряжениях. На рис. 4 представлено семейство сеточных характеристик триода при трех анодных напряжениях.

Из рис.3 и 4 видно, что триод, так же как и диод, представляет собой пример проводника с нелинейной вольтамперной характеристикой. Однако прямой линией можно считать достаточно малый отрезок всей зависимости. Учитывая последнее, по семействам анодных и сеточных характеристик триода можно определить параметры триода: внутреннее сопротивление лампы, коэффициент усиления и крутизну сеточной характеристики триода. Этими параметрами определяются свойства триода и его пригодность для тех или иных целей. Рассмотрим физический смысл и способ определения этих параметров лампы.

1. Внутреннее сопротивление лампы R_i определяется как изменение анодного напряжения к изменению анодного тока при постоянном сеточном напряжении:

Величина R_i есть сопротивление промежутка анод – катод и характеризует быстроту изменения анодного тока при изменении анодного напряжения при постоянном напряжении на сетке.

Внутреннее сопротивление R_i может быть определено как из семейства анодных, так и сеточных характеристик.

Так как R_i определяется при U_c = const, то этот параметр может быть определен по любой анодной характеристике триода на ее прямолинейном участке. На рис.3 показано, как находятся значения dU_a и dJ_a для расчета R_i.

По сеточным характеристикам R_i находят следующим образом (см. рис.4). Проводят вертикальную прямую (для которой U_c=const), пересекающую линейную часть двух сеточных характеристик, снятых при различных U_a. Тогда отрезок этой вертикали, заключенный между сеточными характеристиками, даст величину dJ_a). Отношение разности тех анодных напряжений, при которых были сняты данные сеточные характеристики, к этой величине dJ_a дает значение R_{i .}

2.Коэффициент усиления лампы μ имеет следующий физический смысл. Анодный ток в лампе при постоянном накале катода есть функция двух величин: анодного и сеточного напряжений. Однако изменение напряжения на сетке в значительно большей степени влияет на силу анодного тока, чем изменение анодного напряжения. Отношение изменения анодного напряжения к изменению сеточного при J_a =const, дающих равные, но противоположные по знаку изменения анодного тока, называется коэффициентом усиления лампы:

Для определения μ на линейном участке сеточных характеристик (рис.4) проводится горизонтальная прямая (J_a =const). Отрезок этой прямой между двумя сеточными характеристиками даст значение dU_c. Тогда отношение разности анодных напряжений dU_а, при которых были получены эти две сеточные характеристики, к dU_c даст величину коэффициента усиления μ данного триода.

Из анодных характеристик (по рис. 3) коэффициент усиления μ находится аналогично.

1. Крутизна сеточной характеристики S определяет быстроту изменения

анодного тока при изменении потенциала сетки при постоянном анодном напряжении, т. е: .

Величина S равна тангенсу наклона сеточной характеристики к оси абсцисс. Крутизна имеет размерность, обратную сопротивлению, но обычно выражается в мА/В, указывая тем самым на смысл этого параметра, определяющего зависимость анодного тока от сеточного напряжения.

Вычисление крутизны сеточной характеристики аналогично вычислениям R_i и μ