Дослідження роботи двоелектродної вакуумної лампи.

Прилади та приладдя: вольтметр для вимірювання анодної напруги, міліамперметри для вимірювання струму розжарення катоду та анодного струму, потенціометр для регулювання анодної напруги, реостат для регулювання напруги розжарення, досліджувана двоелектродна лампа.

Мета роботи: вивчення закономірностей електричного струму у вакуумі і термоелектронної емісії на прикладі вакуумного діоду.

Коротка теорія і метод вимірювань

Робота вакуумних електронних ламп грунтується на явищі термоелектронної емісії – випусканні електронів з поверхні розжареного металу. Для виходу електрона із металу йому треба виконати роботу А=e^.U, де: е –заряд електрона, U - зовнішній скачок потенціалу на подвійному електричному шарі біля поверхні металу.

На явищі термоелектронної емісії грунтується дія різноманітних електронних приладів. Один із них – електронна вакуумна лампа – являє собою герметичний скляний або металевий балон, із якого відкачано повітря до вакууму, коли тиск відповідає 10 ^-7 - мм. рт. ст. В балоні розміщуються електроди різної форми в залежності від конструкції лампи (рис.1). Один із електродів (катод) грає роль джерела електронів. Для інтенсивного випускання електронів катод розжарюється прямим або непрямим шляхом. При прямому розжаренні нитка катода виготовляється з тугоплавкого металу, і через нього пропускається струм від джерела розжарювальної напруги. При непрямому розжаренні струм пропускається через допоміжну нитку, яка розжарює катод без пропускання через нього струму. Другий електрод в лампі зветься анодом. В тріоді, крім катода і анода, існує ще один електрод – керуюча сітка. Застосовують лампи і з більшою кількістю елекродів: тетроди, пентоди і т.д. Діоди застосовують переважно для випрямляння змінного струму.

Розглянемо процеси, що відбуваються в діоді при створенні між катодом та катодом різниці потенціалів або анодної напруги. Під дією електричного поля електрони переміщуються в напрямку анода, і в лампі виникає анодний струм. Наявність просторового заряду електронної хмарки призводить до того, що при малому значенні напруги анодний струм може бути значно менше можливого значення струму емісії із катода, проте при підвищенні анодної напруги струм поступово збільшується. Залежність величини анодного струму від анодної напруги у двоелектродній лампі подається за законом Богуславського-Ленгмюра:

I = a U ^2/3 , (1)

д

I_a

Т₁

Т₂

Т₃

Т₁>Т₂>Т₃ U_a

A

A

е а – стала, що залежить від форми та розмірів катода.

П

K

K

Рис.1 Рис.2

ри досягненні певної напруги електронна хмарка біля катода повністю розсмоктується, і всі електрони, випущені катодом в одиницю часу, долітають до анода. Струм досягає максимального значення, і подальше збільшення анодної напруги не збільшує його. Це граничне значення анодного струму зветься струмом насичення. Величина струму при термоелектроонній емісії визначається співвідношенням Річардсона-Дешмена :

I = B T² exp ( -A / ( k T ), (2)

де Т - абсолютна температура катода; А – робота виходу елетрона із металу; k -стала Больцмана; B - стала.

Катоди багатьох елетронних ламп покривають шаром окисів барію або торію. Такі оксидовані катоди мають меншу роботу виходу і дозволяють одержувати велику електронну емісію вже при температурах 600-800˚С. Залежність анодного струму від анодної напруги – вольт-амперні характеристики – для різних температур розжарення катода подані на рис. 2.

Порядок виконання роботи:

Завдання 1. Побудова вольт-амперної характеристики діода.

1. Зберіть вимірювальне коло по схемі рис. 3.

Рис. 3.

2. Після перевірки схеми викладачем замкніть кола анодної напруги і напруги розжарення.

3. За допомогою реостату R₂ встановіть струм розжарення катода I_H = 180 мА і підтримуйте його сталим в наступних вимірюваннях.

4. Протягом 5-10 хв. лампа має прогрітися, потім потенціометром змінюйте напругу на аноді через 1,5 –2,0 В у межах від 0 до 25 В, вимірюючи при цьому анодний струм I_a. Одержані значення U_a і I_a занесіть до табл. 1 і за цими даними побудуйте графік залежності I_a = f ( U_a ). На графікові мають бути нанесені що найменше 10 точок. Одержали вольт-амперну характеристику діоду.

5. Повторіть дослід при значеннях струму розжарення у 210 та 240 мА і побудуйте графік залежності I_a = f (U_a) на тих же осях, що і для струму розжарення в 180 мА.

6. Закінчивши вимірювання, розімкніть коло.

Таблиця 1

IH, мА	180	Ua	0	2,0	4,0	6,0	…	25
		Ia
	210	Ua	0
		Ia
	240	Ua	0
		Ia

Завдання 2. Отримання температурної (емісійної) характеристики діода.

1. Потенціометром R₁ встановіть величину анодної напруги U_a=15,0 В і підтримуйте його сталим під час всього досліду.

2. Потенціометром R₂ встановіть струм розжарення 180 мА і виміряйте величину анодного струму.

3. Підтримуючи анодну напругу сталою, змінюйте струм розжарення I_H від 180 до 300 мА через кожні 15-20 мА і для кожного I_H виміряйте анодний струм. Одержані значення I_a і I_H занесіть до табл.2. За даними таблиці побудуйте графік залежності анодного струму від струму розжарення I_a=f(I_H) - емісійну характеристику діоду.

4. Повторіть дослід при U_a=12,0 і 9,0В. За результатами вимірювань побудуйте графік I_a = f ( I_H ) на тих же осях, що й при анодній напрузі 15,0 В.

Таблиця 2

Ua, B	15,0	IH	180	185	210	225	…	300
		Ia
	12,0	IH	180	185	210	225	…	300
		Ia
	9,0	IH	180	185	210	225	…	300
		Ia

Дайте відповіді на запитання:

1. Що таке робота виходу і від чого вона залежить?

2. Намалюйте вольт-амперну характеристику діода і поясніть форму цієї кривої.

3. У який спосіб на основі вимірювань струму в діоді можна визначити роботу виходу електронів із металічної нитки катода?

Лабораторна робота № 31.

Дослідження транзистора типу МП-40, увімкненого за схемою зі

спільним емітером.

Прилади та приладдя: установка для дослідження транзисторів, транзистор типу МП-40, джерело живлення на 3 і на 10 В.

Мета роботи: дослідження роботи транзистора, ввімкненого за схемою з загальним емітером у статичному режимі.