лб4. Лабораторная работа 2.04. Лабораторная работа 04 изучение вакуумного диода и проверка формулы богуславскоголенгмюра к. В. Куликовский, А. М. Попов

• Название: Лабораторная работа 04 изучение вакуумного диода и проверка формулы богуславскоголенгмюра к. В. Куликовский, А. М. Попов
• Дата: 28.03.2022
• Размер: 0.52 Mb.
• Имя файла: Лабораторная работа 2.04.pdf
• Тип: Лабораторная работа; #423042

1
Лабораторная работа 2.04
ИЗУЧЕНИЕ ВАКУУМНОГО ДИОДА И ПРОВЕРКА ФОРМУЛЫ
БОГУСЛАВСКОГО-ЛЕНГМЮРА
К.В. Куликовский, А.М. Попов
Цель работы: экспериментальное изучение зависимости анодного тока ва- куумного диода от анодного напряжения и проверка теоретической формулы
Богуславского–Ленгмюра для этой зависимости.
Задание: Провести измерения анодного тока I
A
и анодного напряжения
U
A
вакуумного диода при постоянном токе накала катода. Построить график зависимости анодного тока I
A
от U
A
3/2
и по прямолинейному участку на этом графике рассчитать коэффициент пропорциональности K между I
A
и U
A
3/2
и сравнить его с соответствующим теоретическим значением.
Подготовка к выполнению лабораторной работы: изучить принцип ра- боты вакуумного диода, явление термоэлектронной эмиссии и закон «Степени трех вторых», описывающий участок вольт-амперной характеристики вакуум- ного диода в пределах которого этот закон выполняется; ответить на контроль- ные вопросы.
Библиографический список
1. Савельев И.В. Курс общей физики. В 3-х томах. Том 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. - СПб.: Издательство «Лань», 2018, гл. 10,
§§ 72-74.
2. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Издательский центр «Академия», 2019, гл. 13, §§ 104, 105.
Контрольные вопросы

1. Подчиняется ли вакуумный диод закону Ома?
2. Для чего нагревается катод?

3. Для чего обеспечивается вакуум в подобных диодах?
4. Для чего используется оксидный катод?
5. Почему при малых анодных напряжениях U
A
анодный ток растет с ростом
U
A
?

6. Что такое ток насыщения?
7. Почему при больших анодных напряжениях наступает насыщение анодного тока?

8. Как изменяется ток насыщения с ростом температуры катода?

2 9. Что такое закон трех вторых и при каких анодных напряжениях (больших или малых) он справедлив?
10. От чего зависит коэффициент пропорциональности K в законе трех вторых?

11. Что такое вольт-амперная характеристика диода?
12. Каким образом изменяется температура катода в данной работе?

13. Как оценивается погрешность по графику?
Теоретическое введение
Вакуумный диод представляет собой стеклянный баллон, из которого вы- качан воздух. Внутри баллона размещены два металлических электрода: анод и катод. Форма электродов и их взаимное положение бывают различными. В данной работе используется диод с круглыми плоско - параллельными электро- дами. Один электрод (катод) подогревается расположенной вблизи от него про- волочной нитью, через которую пропускается электрический ток (ток накала), а второй электрод (анод) находится на некотором расстоянии от катода. Снаружи катод покрыт тонким слоем вещества, имеющего малую работу выхода элек- тронов. В качестве такого вещества часто используют окислы щелочноземель- ных металлов (оксидный катод).
В результате сильного нагрева катода из него начинают вылетать свобод- ные электроны (термоэлектронная эмиссия), образуя вокруг катода электронное облако (пространственный заряд). Электроны из этого облака практически не до- стигают поверхности анода. (Стоит отметить, что незначительное количество зарядов всё же перемещается на анод, создавая маленький электрический ток, которым в данной работе мы пренебрегаем). Если между анодом и катодом приложить анодное напряжение U
A
, (подключить к положительному полюсу источника питания) то под действием электрического поля электроны начнут двигаться к аноду, и через диод потечет анодный ток.
При небольших значениях анодного напряжениях U
A
сила анодного тока
I
A
растет с увеличением напряжения. Это объясняется тем, что не все электро- ны, вылетевшие из катода, попадают на анод. Часть из них возвращается обрат- но, не сумев вырваться из электронного облака. С увеличением напряжения U
A
электронное облако вокруг катода постепенно уменьшается, поскольку большая часть электронов достигает анода, и ток I
A
возрастает. Достигнув определенно- го значения напряжения U
A
= U
нас
, наступает насыщение анодного тока. В этом слу- чае все электроны, вылетающие из катода, достигают анода и дальнейшее увели- чение анодного напряжения не приводит ни к каким изменениям.

3
Таким образом, зависимость анодного тока от анодного напряжения
(вольт-амперная характеристика диода) графически имеет вид, представленный на рис. 1. Максимальный (при заданном токе накала катода) анодный ток называется током насыщения. Он зависит от температуры катода и растет с увеличением температуры, поскольку увеличивается число электронов, вылетающих из ка- тода в результате термоэлектронной эмиссии.
Рисунок 1. Зависимость анодного тока от анодного напряжения
вакуумного диода
В области напряжений U
A
, где анодный ток ограничивается пространствен- ным зарядом (то есть в области A-В на рис. 1), зависимость анодного тока от анодного напряжения дается теоретической формулой Богуславского–
Ленгмюра (закон трех вторых)
3/ 2
A
A
,
I
K U
 
(1) где коэффициент пропорциональности K зависит от формы и расположения электродов в диоде. Для плоско-параллельного диода с круглыми электродами коэффициент K определяется формулой:
0 2
4 2
,
9
S
e
K
d
m

 

(2) где S — площадь поверхности катода (и анода), d — расстояние между катодом и анодом, e - элементарный заряд (модуль заряда электрона), m – масса элек- трона,
0

― электрическая постоянная. Отношение e/m называется удельным зарядом электрона.

4
Описание аппаратуры и метода измерений
Снятие вольт-амперных характеристик вакуумного диода производится по схеме, представленной на рис. 2.
Рисунок 2. Принципиальная схема установки
Напряжение для накала катода задается источником в диапазоне от 4 – 6
Вольт. Анодное напряжение U
A
подается от источника питания, а его величина регулируется энкодером и измеряется вольтметром. Анодный ток лампы изме- ряется миллиамперметром. Результаты измерений заносятся в таблицу 1.
Таблица 1. Результаты измерений
U
К1 = …
[В]
№ 1
2 3
4 5
6 7
8 9
10 11 12 13 14 15 16 17 18
U
A
[В]
I
A
[А]
U
К2 = …
[В]
№ 1
2 3
4 5
6 7
8 9
10 11 12 13 14 15 16 17 18
U
A
[В]
I
A
[А]
U
A
3/2
[В
3/2
]

5
Порядок выполнения работы
1. Убедиться, что все элементы установки подключены так, как показано на рис. 3.
2. Включить источник питания и с помощью потенциометра (2) установить напряжение для накала катода U
K
=5.6 В.
3. Включить вольтметр (3) и установить предел измерений 30 В (Далее необ- ходимо будет переключить на 100 В). Включить миллиамперметр (4), уста- новив предел измерений 1 мА.
4. Изменяя ручкой (1) анодное напряжение, снять вольт-амперные характери- стики диода и занесите результаты в таблицу.
5. Изменив ручкой (2) напряжение для накала катода, повторить пункты (3-4).
6. После окончания измерений выключить источник питания, вольтметр и миллиамперметр.
Рисунок 3. Схема подключения аппаратуры установки
Обработка результатов измерений
1. По формуле (2) рассчитать теоретическое значение коэффициента K
теор
. При расчёте принять
2 0, 65
S
d

2. По данным табл.1 построить на миллиметровой бумаге вольт-амперные ха- рактеристики I
A
= f(U
A
), указав для них соответствующие U
K
накала.

6 3. Для одного из значений U
K
возвести напряжения U
A
(в вольтах) в степень три вторых и построить график зависимости I
A
анодного тока (в амперах) от
U
A
3/2
. Убедиться, что в некоторой области напряжений график имеет пря- молинейный участок. Определить коэффициент
K
.
в формуле Богуславско- го–Ленгмюра (1) как угловой коэффициент этого прямолинейного участка.
Для этого построить две прямы через точки, максимально удаленные от теоретической прямой и определить соответственно max min
и
K
K
4. Вычислить
1 2
2
K
K
K


5. Оценить погрешность
1 2
|
2
|
K
K
K



6. Сравнить полученное экспериментальное значение
K
с теоретическим значением K
теор
, рассчитанным по формулам (2).