Лабораторная работа № 10
Название. Изучение вакуумного диода
Задание. Измерить (снять) анодные характеристики вакуумного диода при двух различных токах накала, определить сопротивление диода при различных напряжениях и проверить его одностороннюю проводимость для электрического тока.
Приборы и принадлежности: 1) электронная лампа (кенотрон) 5Ц4М на панели с зажимами; 2) два цифровых мультиметра; 3) реостат лабораторный; 4) потенциометр проволочный; 5) источник электропитания постоянного и переменного тока; 6) соединительные провода.
Литература. 1. Трофимова Т.И. Курс физики, учебное пособие. – Москва, Академия, издание 6, 2006, § 105.
2. Дулин В.Н., Аваев В.П., Дёмин В.П. и др. Электронные приборы, учебник для вузов. — Москва, Энергоатомиздат, 1989, 496 с.
Теоретическое введение
1. Электронно - вакуумные приборы (электронно-вакуумные лампы, электронные лампы) – вакуумные приборы, работа которых основана на взаимодействии потока электронов, движущихся в высоком вакууме, с электрическим полем, создаваемым металлическими электродами.
Конструктивно они представляют собой стеклянные, металлические или керамические герметичные сосуды, из которых удалён воздух и внутри которых находятся два или более металлических электродов. Давление остаточных газов в электронной лампе составляет 10-6 мм рт. ст. и менее. Высокий вакуум необходим для того, чтобы газы (воздух) не мешали движению электронов в лампе.
В этих приборах источником электронов является катод - электрод с отрицательным потенциалом, который при пропускании через него тока разогревается и испускает электроны. Эти электроны движутся под действием сил электрического поля к аноду, электроду с высоким положительным потенциалом. Попадая на анод электроны создают электрический ток в электрической цепи, в состав которой и входит электронная лампа. Другие электроды, называемые сетками, служат для создания электрических полей, которые управляют интенсивностью потока электронов, то есть количеством электронов, попадающих на анод (в электрическую цепь).
Количество электродов, их форма, размеры и взаимное расположение определяют функциональное назначение, характеристики и название электронных ламп.
Электронная лампа, имеющая два электрода –анод и катод, называется диодом. Триод имеет три электрода: катод, анод и управляющую сетку. Лампа, содержащая четыре электрода, называется тетродом, а пять электродов – пентодом.
Существуют электронные лампы с большим числом электродов (гептод, октод), а также совмещённые лампы такие как: двойной диод, двойной триод, триод-пентод и другие. Фактически это две лампы в одном герметичном вакуумированном корпусе (сосуде).
Внешний вид некоторых электронных ламп и их условные обозначения на электрических схемах показаны на рис. 1 и рис.2, а отдельные элементы (электроды) пятиэлектродной лампы (пентода) приведены на рис. 3.
Рис. 1 - В нижней части (цоколе) в корпус вплавлены ножки, с помощью которых лампа соединяется с электрической схемой.
Диод Триод
Рис. 2 – Условные обозначения и названия электродов некоторых электронных ламп: диода, триода, тетрода и пентода.
Рис. 3 – Элементы электронной лампы (пентода). На левом снимке изображены слева-направо: нить накала, катод, три сетки и анод, в верхней части – элементы крепления и кольцо с поглотителем остатков воздуха; на правом снимке – анод электронной лампы.
Принцип работы. Действие электронных ламп основано на явлении термоэлектронной эмиссии и действии электрического поля на движущиеся заряды.
Явление, которое используется в электронных лампах для получения электронных потоков, называется термоэлектронной эмиссией. Термоэлектронная эмиссия - это испускание электронов с поверхности нагретого вещества. В этих приборах электроны испускаются катодом, который нагревают, пропуская через него небольшой ток , называемый током накала.
Катоды бывают двух видов: прямого накала и косвенного накала. Первые представляют собой тонкую металлическую нить из тугоплавкого металла (вольфрама), через которую пропускают ток. Катоды подогревные или косвенного накала представляют собой узкий никелевый цилиндр (в левой части рис. 3 он находится вторым), внутри которого находится располагается нить накала (в левой части рис.3 она находится первой, с краю). Ток пропускается через нить накала, которая и разогревает сам катод.
Испускание электронов (эмиссия) осуществляется с поверхности катода при его нагревании до достаточно высокой температуры. При такой температуре металлического катода часть свободных электронов имеет достаточную кинетическую энергию, чтобы вылететь с поверхности катода в безвоздушное пространство прибора.
Количество электронов, вылетающих с единицы площади поверхности катода за 1 секунду, характеризует его эмиссионную способность, которая определяется материалом катода и его температурой. Эта способность обуславливает ток насыщения электронных ламп и описывается формулой, известной как закон Ричардсона – Дешмана.
Jн = C . T2. exp (- A/ kT ) (1)
где Jн - плотность тока насыщения, характеризует эмиссионную способность материала катода; T- абсолютная температура катода ; A - работа выхода электронов; k - постоянная Больцмана; С - термоэлектронная постоянная.
Применение. Все электронные лампы, кроме диода, обладают усилительными свойствами. Они позволяют заметно увеличить амплитуду слабого переменного электрического сигнала (напряжения), подаваемого на управляющую сетку. Поэтому их используют для приёма, усиления и генерации , а также для преобразования электрических колебаний (напряжений). Основное применение вакуумных диодов – выпрямление переменного тока и детектирование электрических колебаний.
В настоящее время применение электронных ламп в технике заметно ограничено вследствие повсеместного использования полупроводников приборов (диодов, транзисторов, тиристоров, микросхем) и устройств из других электронных материалов. Однако их все ещё широко применяют для производства мощных высокочастотных генераторов, высококачественной аудиотехники.
2. Вакуумный диод. Вакуумный диод представляет собой двухэлектродный электронный прибор (электронную лампу). Он состоит из катода и анода, который часто имеет вид цилиндра, коаксиального с нитью накала катода. Устройство диода и его условное обозначение показано на рис. 4.
Рис.
4
Анод имеет один вывод для соединения с цепью, для катода косвенного накала делают два вывода от нити накала и один от катода.
При разогреве катода с помощью тока накала электроны начинают вылетать с его поверхности за счёт термоэлектронной эмиссии. Покинувшие катод электроны будут препятствовать вылету других электронов, в результате чего вокруг катода образуется электронное облако. Часть электронов из этого облака с небольшими скоростями возвращается обратно в катод. При постоянной температуре катода облако стабилизируется, имеет место динамическое равновесие, при котором на катод падает из облака столько же электронов, сколько их вылетает из него за счёт термоэлектронной эмиссии.
При подаче на катод отрицательного потенциала, а на анод – положительного потенциала между ними возникает электрическое поле, которое заставляет электроны двигаться от катода к аноду, приводя тем самым к появлению в цепи тока (рис.4).
Если же на катод подан положительный потенциал («плюс»), а на анод отрицательный потенциал («минус»), то электрическое поле препятствует движению электронов, которые вылетают из катода и ток в цепи не течёт. Такое включение диода называется обратным, а напряжение между катодом и анодом - обратным напряжением.