fizick_praktika_II

ский слой. Он не создает электрического поля во внешнем пространстве. Зато на преодоление электрического поля внутри самого двойного слоя также требуется совершение работы. Следовательно, для испускания металлом значительного числа электронов необходимо сообщить им дополнительную энергию, затрачиваемую на работу выхода. В зависимости от способа сообщения электронам энергии различают термоэлектронную, фотоэлектронную, вторичную электронную и автоэлектронную эмиссии.

Рис. 6.2. Схема электрической цепи для наблюдения термоэлектронной эмиссии:

Д – диод; БА – анодная батарея для создания напряжения между электродами; БН – батарея для накаливания нити; V – вольтметр; mA – миллиамперметр; RН – реостат для регулирования накала нити; RА – реостат для регулирования напряжения между электродами

Действие катода в вакуумном диоде как источника электронов основано на явлении термоэлектронной эмиссии – испускании свободных электронов металлами при их нагревании. В вакуумном диоде большая часть электронов, испускаемых нагретым катодом, не долетает до анода и образует вокруг катода электронное облако. При подаче на катод отрицательного напряжения, а на анод – положительного возникает электрическое поле, которое заставляет электроны двигаться от катода к аноду. В результате в цепи появляется электрический ток.

91

Поведение вакуумного диода описывается с помощью его вольт-амперной характеристики. Вольт-амперная характеристика – это график зависимости анодного тока IA от величины ускоряющего напряжения UA между анодом и катодом при фиксированном значении температуры катода. На рис. 6.3 приведены три вольт-амперные характеристики диода, снятые при разных температурах катода (T1 < T2 < T3). Следует обратить внимание на нелинейный вид вольт-амперной характеристики диода. Это значит, что для вакуумного диода закон Ома не выполняется.

Вольт-амперная характеристика вакуумного диода (кривая 1–2–3–4–5) имеет 4 участка.

Участок 1–2. При отрицательном анодном напряжении, когда катод подключен к положительному полюсу источника тока, анод – к отрицательному, в пространстве между электродами вакуумного диода возникает тормозящее электрическое поле, которое препятствует движению электронов от катода к аноду. При увеличении абсолютного значения анодного напряжения ток будет уменьшаться. При некотором отрицательном значении анодного напряжения кинетическая энергия электронов оказывается недостаточной для преодоления действия поля, отталкивающего

их от анода, и ток в диоде стано-

92

Наибольшую плотность электронное облако имеет вблизи катода. Это облако создает электрическое поле, которое тормозит электроны, вновь покидающие поверхность катода, и большую часть из них возвращает обратно. Однако небольшому числу электронов все же удается преодолеть тормозящее действие поля и достигнуть анода, поэтому при UA = 0 сила анодного тока IA не равна нулю.

Участок 2–3. При небольших положительных значениях анодного напряжения UA сила анодного тока IA возрастает при увеличении напряжения на аноде. Это связано с тем, что по мере роста анодного напряжения концентрация электронов в облаке уменьшается, его тормозящее действие ослабевает, и число электронов, достигающих анода, увеличивается. В результате электронное облако около катода постепенно рассеивается.

Зависимость анодного тока от напряжения на участке кри-

вой 2–3 описывается законом Богуславского – Ленгмюра

(также называемым законом «3/2»):

IА BUА3 2 ,

где B – коэффициент пропорциональности, зависящий от формы, размеров и взаимного расположения электродов.

Участок 3–4. При дальнейшем увеличении напряжения на аноде рост тока замедляется, и на кривой вблизи точки 3 наблюдается переход от прямо пропорционального изменения IА к области насыщения.

Участок 4–5. Начиная с некоторого напряжения UA = UН, сила тока перестает зависеть от анодного напряжения и достигает максимального значения IН. Это связано с тем, что электронное облако полностью исчезает, так как все электроны, покидающие катод, достигают анода. Дальнейшее увеличение анодного тока при данной температуре катода невозможно, поскольку эмиссионная способность материала катода исчерпана. Максимальный ток, возможный при данной температуре катода, называют током

насыщения IН.

93

Для увеличения тока насыщения необходимо увеличить число электронов, вылетающих из катода за единицу времени. Это можно сделать, повысив температуру катода. При температурах катода Т3 > Т2 > Т1 вольт-амперная характеристика изображается кривыми (1–2–6–7–8), (1–2–9–10–11) (рис. 6.3). Следует отметить, что значения анодного напряжения UН, при которых устанавливается ток насыщения, увеличиваются с возрастанием температуры.

Вакуумный диод пропускает ток только в одном направлении. Поэтому его используют в качестве выпрямителя переменного тока.

3.2. Зависимость между анодным током и напряжением

Установим количественную зависимость между силой анодного тока IА и анодным напряжением UА . Пусть цилиндрические анод и катод имеют общую ось симметрии и радиусы R1 и R2 соответственно. Будем считать, что начальные скоро-

сти электронов равны нулю. Не будем учитывать также распределение электронов по скоростям и их столкновения с молекулами остаточного газа. Предположим, что

время пролёта электронов от катода до анода. Разность потенциалов между катодом и анодом UА может поддерживать лишь

вполне определённый полный заряд q :

94

где C – ёмкость цилиндрического конденсатора, обкладками которого являются анод и катод. Известно [3], что ёмкость цилиндрического конденсатора:

где e – заряд электрона, m – масса электрона. Из (6.7) следует:

m

Подставив (6.8) в (6.6), получим:

95

Следовательно, сила анодного тока пропорциональна разности потенциалов между анодом и катодом в степени 3/2. Зависимость (6.10) справедлива для электродов не только цилиндрической, но и любой произвольной формы. Она называется законом Болуславского – Ленгмюра.

Для определения отношения e / m удобно ввести в формуле (6.11) обозначение геометрического параметра диода:

где C 27 107 для использованного в данной работе вакуумного диода.

В данной работе предусмотрены два варианта исследования вольтамперной характеристики вакуумного диода: компьютерный и реальный эксперименты. Реальный вариант эксперимента позволяет также определять удельный заряд электрона. По заданию преподавателя выполняется один из предложенных вариантов.

96

Вариант 1

4.ИЗУЧЕНИЕ ЛАМПОВОГО ДИОДА

Влабораторной работе на экране компьютера моделируется работа вакуумного диода. Данная виртуальная установка позволяет исследовать вольт-амперные характеристики вакуумного диода при различных температурах и проверить справедливость формулы Богуславского – Ленгмюра.

4.1.Экспериментальная часть

1.Включите компьютер.

2.На рабочем столе компьютера на ярлыке папки «Физ. лаб.» щелкните дважды левой кнопкой мышки. В открывшемся окне выберите раздел «Электричество и магнетизм», из списка лабораторных работ запустите «Изучение лампового диода», дважды щелкнув по названию левой кнопкой мышки. Появится экран, в котором будет присутствовать таблица с командами:

О работе

Ход работы

Эксперимент.

Вызывая пункты меню в таблице, ознакомьтесь с лабораторной работой и порядком ее выполнения. После обращения к команде «Эксперимент» появится экран, на котором задаются начальные условия эксперимента (рис. 6.4).

3. Измерьте число электронов, достигших анода за 10 с. Предварительно убедитесь, что значение температуры, отображенное в соответствующем окне, равно 2000 К. Затем введите значение напряжения 150 В в предназначенное для этого окно. Подождите некоторое время, пока не возникнет установившийся поток частиц, а затем нажмите кнопку «Пуск», запускающую секундомер и счетчик частиц, которые автоматически выключаются через 10 с. После выключения в соответствующей области экрана отображается итоговое число электронов, которые

97

за это время достигли анода. Результаты измерений занесите втабл. 6.1. Опыт следует провести 5 раз.

Рис. 6.4. Внешний вид окна лабораторной работы

98

4.Проделайте опыты при напряжении от 150 до –5 В. Проводите измерения с интервалом 10 В, уменьшая анодное напряжение от 150 до –5 В. При приближении к значениям насыщения и запирания измерения проводите с интервалом 1 В. При каждом напряжении опыт проведите 5 раз.

5.Вычислите среднее число электронов N при каждом значении напряжения.

6.Постройте график зависимости среднего числа электронов, достигших анода, от напряжения. Так как сила тока пропорциональна числу заряженных частиц, которые пересекают сечение проводника за 1 с, то данная кривая будет аналогом вольт-амперной характеристики вакуумного диода.

7.Постройте график зависимости среднего числа электронов от напряжения в степени 3/2. В области действия закона Богуславского – Ленгмюра данная зависимость должна быть линейной.

8.Проделайте описанные выше опыты при температуре катода 2100 К. Введите температуру катода в соответствующее окно

ипроделайте всю вышеописанную последовательность действий согласно пп. 3–7. Сравните величину силы тока насыщения при температурах катода 2000 и 2100 К.

Вариант 2

5.ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА е/m ЭЛЕКТРОНА

СПОМОЩЬЮ ВАКУУМНОГО ДИОДА

5.1. Описание рабочей установки и метода измерения

На рис. 6.5 представлена экспериментальная установка для измерения вольт-амперной характеристики вакуумного диода. Она состоит из следующих элементов: источника тока, вакуумного диода, мультиметра.

99

5.2. Экспериментальная часть

3.Мультиметр, используемый для измерения анодного напряжения, включите в режим измерения постоянного напряжения.

4.Включите источник тока в сеть и установите тумблер

вположение «Вкл.».

5.Увеличивая анодное напряжение от 0 до 8 В с шагом 0,5 В, измерьте силу тока в вакуумном диоде. Результаты измеренийанодного напряжения и силы тока занесите в табл. 6.2.

100