IV. Обработка опытных данных.

15. Зная коэффициенты k_x и k_y, координаты n_x и n_y из II части, по формулам (8), (9) вычислить значения В и В₀. Вычисленные значения записать в таблицу 4.

Таблица 11. 4

В
В0

16. На миллиметровой бумаге построить графическую зависимость В от В₀.

17. На миллиметровой бумаге построить петлю гистерезиса, используя значения координат n_x и n_y, полученные в I части.

V. Определение энергетических потерь на перемагничивание ферромагнетика.

18. При изменении направления намагничивания сердечника тороида затрачивается часть энергии магнитного поля. Величина этой энергии, приходящаяся на единицу объема сердечника, пропорциональна площади петли гистерезиса и численно равна

Эта часть энергии переходит в теплоту, образец нагревается. Величина  представляет собой энергию, выделяющуюся в единице объема тороида за один цикл перемагничивания. Если частота перемагничивания  = 50 Гц, то количество теплоты, выделяющееся за одну секунду в единице объема

S₁ можно найти, зная, что цена одного деления шкалы осциллографа в направлении горизонтальной оси равна k_x , а в направлении вертикальной оси – k_y. Тогда площадь одной клетки на графическом изображении петли гистерезиса k_xk_y. Если петля содержит N клеток, то S₁=Nk_xk_y. Тогда количество тепла, выделяющееся за 1 секунду будет равно:

Подставив в эту формулу известные значения величин, вычислить значение Q_0.

Контрольные вопросы

1. Что такое диамагнетизм? Парамагнетизм? В чем различие их магнитных свойств?

2. Что такое намагниченность? Какая величина служит ее аналогом в электростатике?

3. Запишите и объясните соотношение между магнитными проницаемостью и восприимчивостью для парамагнетиком;

Для диамагнетиков?

Лабораторная работа №2. 0 изучение вольт-амперных характеристик вакуумного диода.

1 Цель работы : изучение вольтамперной характеристики диода; определение их основных параметров (крутизна характеристики и внутреннее сопротивление), заряда электрона, работы выхода электрона, отношения электрона к его массе, и изучение работы диодов в качестве выпрямителей.

2 Приборы и принадлежности : стенд для изучения вольтамперных характеристик диода.

3 Введение

В последнее время очень большое развитие получила наука электроника. Радиотехника, телевидение, автоматика, ядерная энергетика, ракетная техника, компьютерная техника своими огромными достижениями в значительной степени обязаны развитию электроники.

Электроника — это область науки и техники, занимающаяся изучением явлений, связанных с происхождением электрического тока в вакууме, газах и полупроводниках, а также приборов, использующих эти явления. Приборы, основанные на происхождении электрического тока в вакууме, получили название электронных приборов.

Простейшим электронным прибором является электронная лампа, называемая диодом. Рассмотрим физические явления, лежащие в основе работы диода, и его устройство.

Работа всех электронных ламп, а значит и простейшей из них — диода, основана на явлении термоэлектронной эмиссии, то есть явлении выхода электронов с поверхности металла при его нагревании. Поэтому мы и рассмотрим это явление.

В атоме металла только часть электронов тесно связана с ядром, и не покидает атом, остальные же электроны, называемые валентными электронами, не принадлежат определенному атому, а являются коллективизированными (обобществленными) электронами, образуя так называемый “электронный газ”, обладающий свойствами одноатомного идеального газа. Электроны этого “газа”, называемые свободными электронами, находясь в беспорядочном тепловом движении (подобно молекулам газа), перемещаются в пространстве между положительными ионами металла, образующими кристаллическую решетку, как показано на рисунке 12.1.

Рисунок 12. 1

Скорость движения свободных электронов при данной температуре различна, а значит различна и их кинетическая энергия. Но свободные электроны не разлетаются из проводника подобно газовым частицам из открытого сосуда, так как на электрон, находящийся внутри проводника, действуют электрические поля других электронов и ионов, окружающих его, так что средняя напряженность поля равна нулю.

Действительно, силы притяжения со стороны положительных ионов одинаковы с двух любых противоположных сторон свободного электрона, как одинаковы и силы отталкивания соседних свободных электронов.

Иное влияние испытывают электроны, движущиеся в поверхностном слое металлического проводника. Положительные ионы для этих электронов оказываются с одной стороны и создают большое притягивающее усилие. Если же некоторые электроны в результате теплового движения приобретают энергию, достаточную для преодоления притягивающего усилия слоя ионов и выходят в вакуум, то металл, заряжаясь положительно, притягивает их обратно. Эти причины и объясняют отсутствие электронной эмиссии при нормальной температуре. Чтобы получить заметную электронную эмиссию, нужно сообщить электронам, уже имеющим энергию W₀, добавочную энергию W выхода, которую называют работой выхода.

Значит (W₀ + W) есть полная работа выхода, необходимая для преодоления препятствующих сил и выхода электрона в вакуум. Величина работы выхода различна для разных металлов. Чем больше работа выхода, тем труднее получить электронную эмиссию.

Таким образом, выйти из металла могут лишь электроны, кинетическая энергия которых больше работы выхода.

При температурах, близких к комнатной, электронов, обладающих такой кинетической энергией очень мало. Но уже при температуре 1000 - 2000 °С большое количество электронов обладает кинетическими энергиями, достаточными, чтобы совершить работу выхода. Увеличение кинетической энергии электронов происходит за счет энергии источника тепла или тока (если подогрев ведется пропусканием электрического тока). Чем выше температура металла, тем больше электронов выходит из него. Так как работа выхода различна для различных металлов, то количество испускаемых электронов зависит не только от температуры, но и от рода металла.

Описанное выше явление — испускание электронов нагретым металлом — и называется термоэлектронной эмиссией.

Рассмотрим использование термоэлектронной эмиссии в двухэлектродной электронной лампе — диоде, а также ее устройство.

Вакуумный диод состоит из баллона, в котором создан вакуум высокой степени ( давление в нем порядка 10^-6 ¸ 10 ^-8 мм рт. ст.). Как показано на рисунке 2 в баллоне помещены два электрода: катод К — источник электронов и анод А — приемник электронов. Выводы электронов проведены сквозь стекло баллона и припаяны к ножкам цоколя лампы. Простейший катод представляет собой электрическую нить (катод прямого накала), которая накаляется до достаточно высокой температуры с помощью батареи накала, обозначенной на рисунке 2 как Б_л.

Нить начнет испускать электроны, образующие вокруг катода отрицательный заряд (электронное облако). Если этот заряд не удалять, то он перестанет увеличиваться, так как отталкивающее действие электронного облака возвращает вновь вылетающие электроны обратно в металл, и наступает равновесие между числом электронов, вылетающих из катода и возвращающихся в него.

Создадим между К и А ускоряющее поле с помощью анодной батареи Б_А. Это поле, ослабляя отталкивающее действие “облака”, помогает электронам, вылетевшим из катода, долететь до анода, и мы по миллиамперметру сможем отсчитать ток I, идущий через лампу. Это анодный ток. Направление анодного тока условно принято от анода к катоду, хотя на самом деле носители этого тока (электроны) перемещаются от катоду к аноду.

Рисунок 12. 2

При положительном напряжении на аноде электроны из области пространственного заряда направляются на анод - возникает анодный ток, зависящий от анодного напряжения и геометрии электродов. Если построить зависимость величины анодного тока от потенциала на аноде (измеряем его вольтметром V_А, включенным в цепь анода, как показано на рисунке 2), откладывая по горизонтальной оси напряжение на аноде U_А (как независимую переменную), а по вертикальной оси — соответствующие значения анодного тока I_А (при постоянной температуре анода), то мы получим график, называемый вольтамперной характеристикой диода. Примерный вид такой характеристики дан на рисунке 3. Эта зависимость не является линейной, т.е. для вакуумного диода закон Ома не выполняется. В области малых значений напряжений анодный ток пропорционален анодному напряжению в степени 3/2 ("закон, трех вторых") (рис. 3), а коэффициент пропорциональности включает отношение заряда электрона к массе е/m.

Для диода с коаксиальными электродами, если радиус анода много больше радиуса катода, зависимость тока I от анодного напряжения и в системе СГС описывается выражением

(1)

где r_a- радиус анода, -длина анода и катода.

Рисунок 12. 3 Вольт-амперные характеристики вакуумного диода при различных температурах: 1 - эффект Шотки; 2 - "закон трех вторых"

Существует ряд факторов, приводящих к отклонениям от "закона трех вторых":

начальные скорости электронов, вызывающие изменение распределения потенциала между электродами;

неэквипотенциальность катода в случае катодов прямого накала; контактная разность потенциалов между катодом и анодом; асимметрия электродов (например, некоаксиальвость катода и анода); ионизация остаточного газа в лампе электронным ударом (положительные ионы нейтрализуют пространственный заряд у катода, что приводит к увеличению анодного тока).

Если увеличивать напряженность поля между катодом и анодом (увеличивать напряжение катодной батареи), то количество электронов, достигающих анода в единицу времени (при постоянной температуре катода), будет увеличиваться, то есть будет расти анодный ток I_А. При некотором значении разности потенциалов между анодом и катодом — U_нас, все электроны, вышедшие за единицу времени из металла при данной температуре нити, достигают анода, и анодный ток, достигнув некоторого значения I_нас, перестанет увеличиваться. Этот ток называется током насыщения. Он равен току эмиссии и зависит только от температуры и площади катода. Эта зависимость описывается формулой Ричардсона - Дешмана:

. (2)

где I- плотность тока эмиссии, равная отношению:

(3)

Т- температура катода, А- работа выхода электрона, k- постоянная Больцмана, С- постоянный множитель.

Зависимость ln(I/T²) от 1/Т носит название прямой Ричардсона. График этой зависимости позволяет определить работу выхода. Из характеристики (рис.4) видно, что при некотором значении разности потенциалов U_нас между катодом и анодом получаем максимальный анодный ток I_нас, называемый током насыщения. Чтобы увеличить ток насыщения, надо повысить температуру катода, тогда ток эмиссии будет больше и насыщение наступит при более высоком анодном напряжении. В режиме насыщения анодный ток также не остается постоянным при изменении анодного напряжения, он несколько увеличивается с ростом V ( рис.12. 4). Это происходит вследствие эффекта Шотки (1914) - влияния внешнего электрического поля на работу выхода. При наличии внешнего электрического поля ширина потенциального барьера на границе металл - вакуум становится конечной, а его высота несколько уменьшается.