Методичка. Электричество. 2 часть

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 Ua, 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 Ja триода от анодного напряжения Ua при постоянном сеточном напряжении Uc называется анодной характе-

ристикой: Ja = f (Ua) при Uc = const.

Зависимость анодного тока Ja от сеточного напряжения Uc при постоянном анодном напряжении Ua называется сеточной характери-

стикой:

Ja = f (Uc) при Ua = 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

21

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 Ri определяется как изменение анодного напряжения к изменению анодного тока при постоянном сеточ-

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

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

Так как Ri определяется при Uc = const, то этот параметр может быть определен по любой анодной характеристике триода на ее прямолинейном участке. На рис. 3 показано, как находятся значения dUa и dJa для расчета Ri. По сеточным характеристикам Ri находят следующим образом (см. рис. 4). Проводят вертикальную прямую (для которой Uc = const), пересекающую линейную часть двух сеточных характеристик, снятых при различных Ua. Тогда отрезок этой вертикали, заключенный между сеточными характеристиками, даст величину dJa. Отношение разности тех анодных напряжений, при которых были сняты данные сеточные характеристики, к этой величине dJa дает значение Ri .

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 Ja = const, дающих равные, но противоположные по знаку изменения анодного тока, называется коэф-

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

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

22

1. Крутизна сеточной характеристики S определяет быстроту изменения анодного тока при изменении потенциала сетки при постоянном

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 вычис-

лениям Ri и μ.

Описание схемы для снятия анодных и сеточных характеристик триода

На рис. 5 изображена схема для снятия статических характеристик триода. Эта схема состоит из двух цепей: анодной и сеточной.

Первая (справа от лампы) – анодная. Источником анодного напряжения (+ 250 B) является выпрямитель В1, с которого напряжение подается на нижние клеммы потенциометра R1. С верхней и одной нижней клеммы потенциометра напряжение подается на вольтметр V1, измеряется и затем с вольтметра подается между анодом и катодом лампы. Для измерения анодного тока в эту цепь включен миллиамперметр mA. Выпрямитель В1 питает нить накала катода переменным напряжением 6,3 В, которое в

Рис. 5

процессе работы не регулируется и подается автоматически при включении выпрямителя в сеть.

Вторая (левая от лампы) – сеточная цепь. Сеточное напряжение от выпрямителя В2 через потенциометр R2 и вольтметр V2 подается между сеткой и катодом лампы.

Для изменения знака потенциала, подаваемого на сетку, служит переключатель полярности – коммутатор К, схематическое устройство которого показано на рис. 6. Пусть сеточное напряжение с потенциометра R2 измеряется вольтметром V2 и подается на средние клеммы коммутатора:

23

к клемме 1 – положительный, к клемме 2 – отрицательный потенциал. Снимается сеточное напряжение с двух крайних клемм, например c и d, и

Выполнение работы Внимание! Во избежание поражения электрическим током необ-

ходимо убедиться, что выпрямители отключены от сети.

1.Собрать схему согласно рис. 5.

2.Установить движки потенциометров R1 и R2 в положения, соответствующие минимуму снимаемого напряжения.

3.Определить цену деления миллиамперметра и вольтметров.

4.После проверки схемы преподавателем включить в сеть выпрями-

тели Ва и Вс, замкнуть ключи К1, К2 и коммутатор в одно из двух положений. Дать лампе и выпрямителям прогреться 2–3 минуты.

1.Снятие анодных характеристик триода

1.Снять зависимость анодного тока Ja от анодного напряжения Ua при нулевом потенциале на сетке (Uc = 0). Анодное напряжение следует изменять

спомощью движка потенциометра R1 от 0 до 150 В через каждые 10 В.

2.Снять зависимость анодного тока Ja от анодного напряжения Ua при отрицательном потенциале на сетке (значение Uc берется по указанию преподавателя.

3.Переключить коммутатор К и снять зависимость анодного тока Ja от анодного напряжения Ua при таком же значении положительного потенциала на сетке. Результаты измерений занести в табл. 1.

ит. д.

4.Разомкнуть ключи К1 и К 2 и поставить в нейтральное положение коммутатор К.

24

2.Снятие сеточных характеристик триода

1.Замкнуть ключ К2 и с помощью потенциометра R2 установить максимально возможное (по абсолютной величине) сеточное напряжение

Uс. Коммутатор К включить так, чтобы на сетку лампы было подано максимально возможное отрицательное напряжение (~ – 4 ÷ –5 В).

2.С помощью реостата R1 установить анодное напряжение по указанию преподавателя. При данном значении Ua = const замкнуть ключ К1 и снять зависимость анодного тока Ja от напряжения на сетке Uc, меняя последнее через 0,5 ÷ 1,0 В от – 5 ÷ –4 В до 0 В.

Примечание: в процессе снятия сеточной характеристики анодное напряжение может меняться и его необходимо поддерживать постоян-

ным с помощью потенциометра R1.

Затем, переключив коммутатор К, подать на сетку положительное напряжение и, увеличивая сеточное напряжение от 0 до +4 ÷ +5 В, продолжить снятие данной характеристики.

3.Снять аналогичные сеточные характеристики триода при других постоянных значениях анодного напряжения. Результаты измерений занести в табл. 2.

4.Разомкнуть ключи К1 и К 2, коммутатор К поставить в нейтральное положение. Отключить выпрямители от сети.

5.Построить графики семейства анодных и сеточных характеристик, как показано на рис. 3 и 4.

6.По полученным графикам вычислить параметры лампы: Ri, μ, S.

Контрольные вопросы

1.В чем состоит явление термоэлектронной эмиссии и от каких величин зависит величина термотока?

2.Что такое ток насыщения?

3.Что такое анодные и сеточные характеристики?

4.Какие параметры триода Вы знаете, и как они находятся по анодным характеристикам? По сеточным?

5.Объясните физический смысл коэффициента усиления лампы.

6.Объясните конструкцию триода и назначение его отдельных частей.

7.Нарисуйте схему рис. 5 и объясните назначение отдельных ее элементов.

25

РАБОТА № 5 5.1. ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ МОСТИКОМ УИТСТОНА.

ПРОВЕРКА ЗАКОНОВ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО И ПАРАЛЛЕЛЬНОГО СОЕДИНЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЙ

Приборы и принадлежности: измеряемые сопротивления, гальванометр, магазин сопротивлений, аккумулятор, реохорд, ключ, термостат с исследуемым сопротивлением, электроплитка, термометр.

Краткая теория

Мостовая схема постоянного тока, часто называемая сокращенно мостиком Уитстона, представляет собой замкнутый четырехугольник, составленный

обращается в нуль, хотя при этом во всех других звеньях схемы она не равна нулю. Воспользуемся правилами Кирхгофа для постоянного тока.

Первое правило Кирхгофа относится к узлу, т. е. точке разветвления электрической цепи, где сходятся не менее трех токов. Оно гласит: алгебраическая сумма сил токов, сходящихся в узле, равна нулю, т. е.

n J = 0.

å i i=1

Принято токам, входящим в узел, приписывать знак плюс, а выходящим – знак минус.

Второе правило Кирхгофа относится к произвольному замкнутому контуру, который мысленно выделяется в сложной разветвленной электрической цепи. Оно гласит: для любого замкнутого контура, произвольно выделенного в разветвленной электрической цепи, алгебраическая сумма произведений сил токов на сопротивления соответствующих участков равна алгебраической сумме ЭДС, встречающихся в этом контуре, т. е.

Следует заметить, что произведение силы тока на сопротивление данного участка цепи называется падением напряжения на данном участке.

26

При составлении уравнений по второму правилу Кирхгофа токам и ЭДС нужно приписывать знаки в соответствии с выбранным направлением обхода контура (например, по часовой стрелке).

Ток, совпадающий с направлением обхода контура, считается положительным, не совпадающий – отрицательным.

ЭДС считается положительной, если она включена так, что дает ток, направление которого совпадает с направлением обхода контура.

Зададимся направлениями токов во всех участках схемы, как это показано на рис. 1, и запишем первое правило Кирхгофа для всех четырех уз-

Из последнего соотношения (12) следует, что при известных величинах трех участвующих в схеме сопротивлений мы можем вычислить четвертое неизвестное нам сопротивление при условии, что ток через гальванометр не течет.

Практически сопротивления R3 и R4 выполняют в виде металлического проводника (реохорда), затянутого вдоль миллиметровой шкалы. Подвод тока от гальванометра этим сопротивлениям осуществляется с помощью контактного движка, скользящего вдоль реохорда и отделяющего R3 от R4.

плеч реохорда, S – сечение проволоки реохорда. Тогда отношение этих сопротивлений будет равно R3 = l1 ,

R4 l2

27

Окончательно неизвестное сопротивление (например, R1) будет оп-

меняется от 0 до ∞, а это значит, что сопротивление Rx всегда может быть определено при произвольном Rm. Однако наименьшая погрешность измерений будет в том случае, когда движок будет находиться приблизительно на середине реохорда, т. е. при l1 ≈ l2. Это достигается соответствующим

подбором сопротивления Rm.

Так как сопротивление реохорда сравнительно невелико, то мостик Уитстона описанного типа применяется, как правило, для измерения небольших сопротивлений (от 1 до 1000 Ом).

1. Измерение сопротивлений мостиком Уитстона

Перед выполнением работы составить таблицу технических данных приборов, используемых в работе.

Для выполнения этого упражнения составляется электрическая цепь, показанная на рис. 2. Здесь АВ – рео- С

хорд, Rx – неизвестное сопротивление,

тем, передвигая движок реохорда, добиваются полного отсутствия в цепи гальванометра.

Электрическую цепь следует замыкать ключом К на короткие промежутки времени!

Измеряют длины плеч реохорда l1 и l2 и записывают их значения.

Изменив в небольших пределах величину известного сопротивления Rm, снова находят положение движка реохорда, при котором ток в цепи гальванометра равен нулю. Измерения проводят не менее трех раз для каждого неизвестного сопротивления, результаты измерений заносят в таблицу и вычисляют погрешности измерений.

28

1

2

3

Ср.

Точно также измеряют второе (по указанию преподавателя и третье) неизвестное сопротивление. Для каждого неизвестного сопротивления составляется отдельная таблица.

2. Проверка законов последовательного и параллельного соединения сопротивлений

1. Собирают схему мостика Уитстона (рис. 3), где неизвестным со-

где измеряемым сопротивлением являются те же сопротивления, соединенные параллельно (рис. 4).

Измерив опытным путем величину неизвестного сопротивления, сравнивают результат со значением сопротивления, вычисленного по фор-

29

2.5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО КОЭФФИЦИЕНТА СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛА

Температурный коэффициент сопротивления определяется как относительное изменение сопротивления проводника при изменении его температуры на 1 К.

Металлы, как известно, обладают электронной проводимостью, т. е. носителями электричества в них являются свободные электроны. Свободные электроны участвуют в тепловом хаотическом движении. Если к участку металлического проводника приложена разность потенциалов, то на хаотическое движение электронов накладывается их упорядоченное движение. Положительные ионы металла препятствуют движению электронов. С увеличением температуры проводника тепловое движение ионов становится более интенсивным, поэтому сопротивление возрастает.

В первом приближении зависимость сопротивления от температуры можно считать линейной: Rt = Ro(1 + αt), (14) где Rt – сопротивление проводника при данной температуре t, Ro – сопротивление проводника 0 оС, α – температурный коэффициент сопротивления, зависящий от материала проводника.

Строго говоря, величина α зависит от температуры. Поэтому из уравнения (14) можно определить лишь среднее значение α в температурном интервале от 0 до t оС. Для чистых металлов α изменяется настолько незначительно, что в интервале температур порядка 100 оС α можно считать постоянным.

В данном упражнении предлагается определить температурный коэффициент сопротивления проводника из медной проволоки. Исследуемый проводник помещается в термостат, заполненный непроводящей жидкостью. Температура жидкости, а значит и металлического проводника, измеряется термометром. Для равномерного нагрева жидкость перемешивается мешалкой. Исследуемый проводник подключается к клеммам мостика Уитстона, и сопротивление его определяется по методике, описанной выше. Сначала измеряют сопротивление при комнатной температуре, а затем при нагревании через каждые 5о. Измерения проводятся до температуры 80–90 оС. Затем строят график зависимости сопротивления от температуры. Из графика определяют Ro значения Ro и α следующим образом. Продолжают полученную прямую до пересечения с осью Rt. Точка пересечения даст значение (при 0 оС). Величина температурного коэффициента со-

вавшись данными графика. Результаты измерений представляют в виде таблицы и графика.

30