ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КАТОДА ВАКУУМНОГО ДИОДА

Методика выполнения работы

Цели работы: изучение конструкции и физических принципов работы вакуумного диода; исследование экспериментальной зависимости силы тока ваку­умного диода от анодного напряжения; определение температуры катода; расчет контактной разности потенциалов между анодом и катодом.

Приборы и принадлежности: источник постоянного регулируемого анодного напряжения U₂ ; источник регулируемого напряже­ния цепи накала U₁ ; электронный миллиамперметр (mA); электронный вольтметр (V); схемная плата с вакуумным диодом, соединительные провод­ники.

Схема опыта

Рис. 2.8. Электрическая схема эксперимента

Теория метода

1. Определение температуры катода

При отрицательном напряжении на аноде (U_A < 0) сила анодного тока зависит от анодного напряжения согласно (2.9). По экспериментальным данным строим график зависимости ln I_A(U_V) (исследуемая зависимость должна быть линейной). На линейном участке графика выбираем точки 1 и 2. Согласно (2.9)

Откуда находим отношение I_A2 / I_A1:

Из полученного соотношения получаем формулу для определения температуры катода по данным эксперимента

(2.11)

2. Контактная разность потенциалов

Электроды диода (анод и катод) изготавливаются из разных металлов, имеющих различные значения работ выхода. При соединении электродов через внешнюю цепь происходит обмен электронами между металлами катода и анода (электроны переходят из металла с меньшим значением А_вых в металл с большим значением А_вых). Вследствие обмена электронами между поверхностями катода и анода устанавливается внешняя контактная разность потенциалов U_конт (описание установления U_конт см. в описании к работе № 1 на С. 14-15). Обычно поверхность катода имеет меньшую работу выхода по сравнению с металлом анода, из-за чего анод приобретает некоторый отрицательный потенциал относительно катода (U_конт < 0). Из-за наличия U_конт напряжение между катодом и анодом U_А складывается из показаний вольтметра U_V и контактной разности потенциалов:

U_А = U_V + U_конт. (2.12)

Для нахождения U_конт рекомендуется воспользоваться следующей методикой. Строим график зависимости ln I_А(U_V) (рис. 2.9). При U_А< 0 (тормозящее поле) анодный ток зависит от напряжения экспоненциально

(2.13)

При U_А> 0 (ускоряющее поле) анодный ток зависит от напряжения согласно закону «трех / вторых»

(2.14)

Из (2.13) и (2.14) следует, что зависимости ln I_А(U_V) и в тормозящем, и в ускоряющем полях линейны, но имеют разный наклон к оси напряжений. Напряжение, соответствующее точке пересечения этих прямых, U_А = 0 (происходит переход от тормозящего поля к ускоряющему). Откуда по графику ln I_А(U_V) определяем величину контактной разности потенциалов:

Рис. 2.9 U_конт = - U_V.

Порядок проведения эксперимента

1. Проверьте правильность собранной схемы; по схеме определите назначение каждого из приборов лабораторной установки.

2. Перед включением приборов установите:

на источниках питания: ручки регулировки напряжения – в крайнее левое положение; ручки ограничения выходного тока – в среднее положение;

на вольтметре: предел измерений напряжения – в положение «2 В»»;

на миллиамперметре: предел измерения силы анодного тока – в положение «2 мА».

3. Включите приборы. На источнике питания цепи накала U₁ установите выходное напряжение 4-5 В (величину накального напряжения уточните у преподавателя). После установления не изменяющегося во времени тока в цепи накала лампы (~ 3-5 минут) можно приступать к измерениям.

4. Регулировкой выходного напряжения источника U₂ установите величину анодного тока I_А диода порядка 0,2-0,3 мА (при малых I_А возрастает погрешность измерений). Согласно показаниям вольтметра V измерьте разность потенциалов U_V.

Таблица 2.2

5. Изменяя напряжение источника U₂ через 0,1-0,15 В, согласно п. 4 снимите показания U_V и I_А. Измерения необходимо проводить не менее 15 раз при отрицательных и при положительных значениях U_V. Данные измерений внесите в табл. 2.2. С помощью таблиц или калькулятора рассчитайте ln(I_А).

6. Постройте график ln(I_А) = f(U_V); найдите линейные отрезки на участках тормозящего и ускоряющего поля, продолжите их до пересечения и по предлагаемой методике определите величину контактной разности потенциалов.

7. На линейном участке графика ln(I_А) = f(U_V) в области тормозящего поля найдите наиболее далеко отстоящие друг от друга точки 1 и 2, определите в них величины анодного тока и DU_A. С помощью формулы (2.11) рассчитайте температуру катода.

Контрольные вопросы

1. Понятие вырожденного электронного газа; заполнение энергетических состояний электронов в металле; распределение Ферми – Дирака; уровень Ферми; работа выхода электронов из металла.

2. Электронный газ на поверхности металла; явление термоэлектронной эмиссии; расчет плотности эмиссионного тока; формула Ричардсона – Деш­мана.

3. Конструкция вакуумного диода с термокатодом; назначение электродов лампы, схемное обозначение вакуумного диода с термокатодом.

4. Вид вольт-амперной характеристики (ВАХ) вакуумного диода; характерные участки ВАХ.

5. Зависимость I_А (U_А) в области тормозящего поля; определение температуры катода.

6. Влияние пространственного электронного заряда на анодный ток в ва­куумном диоде; уравнение Богуславского – Ленгмюра (закон «трех вторых»).

7. Контактная разность потенциалов между наружными поверхностями контактирующих металлов; методика определения U_к между электродами диода по данным измерений.

Список литературы

1. Сушков А. Д. Вакуумная электроника: Физико-технические основы: Учеб. пособие. – СПб.: Лань, 2004. – С. 96–112.

2. Погорельский А. М., Христофоров В. В. Квантовая физика: Метод. руководство к лабораторным работам. – Новосибирск: НГТУ, 2005. С. 20–24.

3. Курс физики: Учебник для вузов: В 2 т. Т. 2/ Под ред. В.Н. Лозовского. – СПб.: Лань, 2000. – С. 311-324.