При определенном значении напряжения / Uнас / анодный ток принимает максимальное значение, возможное при данной температуре катода и называемое током насыщения

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N 212.

СНЯТИЕ АНОДНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВУХЭЛЕКТРОДНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ЛАМПЫ.

Теория.

1. Принцип действия электронных ламп.

Электроны удерживаются внутри металла. • Значит, вблизи поверхности существуют силы, действующие на электроны и направленные внутрь металла. Это говорит о том, что в поверхностном слое металла существует электрическое поле. Для вырывания электрона из металла нужно совершить работу А, называемую работой выхода;

А = еU,

где е - заряд электрона, U- поверхностная разность потенциалов.

Происхождение сил, действующих на электроны и направленных внутрь металла, можно объяснить двумя причинами. Первая заключается в индукционном действии удаленного из металла электрона, который вызывает на поверхности металла индуцированный заряд противоположного знака. Поэтому между электроном и металлом возникают кулоновские силы притяжения.

Вторая причина заключается в том, что некоторые из свободных электронов в результате теплового движения могут выйти за поверхность металла, образуя электронное облако, которое препятствует дальнейшему выходу электронов.

При комнатных температурах лишь ничтожная часть электронов внутри металла имеет достаточный запас кинетической энергии, чтобы вырваться наружу. По мере повышения температуры число быстрых электронов возрастает, благодаря чему возрастает и число электронов, вырвавшихся из металла. При достаточно высокой температуре наступает заметное испускание электронов металлом. Это явление носит название ТЕРМОЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ. Термоэлектронная эмиссия лежит в основе устройства ламп. Устройство простейшей электронной лампы, содержащей всего два электрода /диод/, показано на рис.1. В стеклянный баллон, из которого выкачан воздух, до давления порядка 10^-8 мм рт.ст. впаяно два металлических электрода: катод К в виде тонкой нити и анод.А, выполненный обычно в форме цилиндра.

При постоянной температуре катода величина

анодного тока зависит от анодного напряжения.

Анод

А

График зависимости анодного тока от анодного напряжения / рис.2 / принято называть анодной

 

Рис.1

характеристикой двухэлектродной лампы /диода/. Характеристика эта нелинейная и, следовательно, электронная лампа представляет собой пример проводника, не подчиняющегося закону Ома. С увеличением анодного напряжения ток возрастает в соответствии с законом Богуславского - Ленгмюра / закон "трех вто­рых":

Ia=B Ua^3/2

 

Рис.2

где: В - постоянная, зависящая от формы, размеров и относительного расположения катода и анода, а так­же от температуры катода.

При определенном значении напряжения / Uнас / анодный ток принимает максимальное значение, возможное при данной температуре катода и называемое током насыщения.

Ток насыщения Iн численно равен заряду всех электронов, испускаемых катодом в единицу времени, т.е. Iнас =eN

где: е - заряд электрона, N - число электронов, испускаемых катодом в одну секунду.

Поэтому увеличение анодного напряжения после достижения тока насыщения не связано с изменением анодного тока.

Величина тока насыщения зависит от температуры катода и рабо­ты выхода электрона из него. Зависимость эта выражается законом Ричардсона - Дешмана:

i_н=I_н/S=cT²e^-

где: i_н - плотность тока насыщения,

S - площадь поверхности катода,

с - эмиссионная постоянная катода,

К - постоянная Больцмана,

Т - температура катода,

А - работа выхода электронов из катода,

е - основание натурального логарифма

В современных лампах широко применяются так называемые ОКСИД-НЫЕ КАТОДЫ. Оксидный катод содержит металлическую подложку

/ керн/, на которую нанесен слой окислов щелочноземельных металлов / ВаО, Sг0, СаО / или их смесь. Для придания катоду высокой эмиссионной способности его подвергают дополнительной обработке / активированию /, состоящей в том, что через электронную лампу при температуре катода 1000°С в течение некоторого времени про­пускают ток. При активировании катода на его поверхности возникает одноатомный слой положительных ионов щелочноземельного металла, ко­торый сильно понижает работу выхода электронов и этим увеличивает эмиссионную способность катода.

Ва

Оксидная масса

Керн

 

Структура оксидного катода.

 

Современные оксидные катоды отличаются высокими качествами. Их рабочая температура равна 800 - 900°С а иногда и ниже.

Плотность тока насыщения достигает величины 10⁴ А/м² . В тоже

время рабочая температура чистого вольфрамового катода около 2200⁰С, а плотность тока насыщения не превышает 10³ А/м² .

При очень кратковременных токах / импульсы тока длительностью 10^-6-

10^-5сек / оксидные катоды способны давать плотность тока насыщения до 10⁶

10 А/м² и выше.

Для накаливания катода через керн пропускают постоянный ток / "катоды прямого накала"/ или нагревают его при помощи вспомогательной металлической спирали /"подогревные катоды"/. Сопротивление катода очень велико и при работе лампы /когда су­ществует анодный ток/ он дополнительно подогревается анодным током. Это увеличивает его термоэлектронную эмиссию и одновременно способствует разрушению оксидного слоя. Поэтому в лампе с оксидным катодом резки тока на­сыщения осуществить не удается,

 

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

1. Ознакомиться с установкой для снятия анодных характерис­тик лампы 6Х2П.

Схема установки

 

Питание электрической цепи лампы осуществляется напряжением городской сети / 220 Вольт/ через трансформатор / Тр /.

В₁, - выпрямитель,

R_а - потенциометр, позволяющий менять анодное напряжение,

V_а - вольтметр для измерения анодного напряжения,

mА - миллиамперметр для измерения анодного тока

2. Замкнуть цепь накала катода выключателем К₁, и с помощью потенциометра Rн установить напряжение накала U_н = 2,2 В. Замкнуть анодную цепь выключателем К₂ и установить с помощью потенциометра Е- анодное напряжение и- =0.

Выждать 2-3 минуты, это необходимо для нагрева катода лампы.

3. Снять анодную характеристику, последовательно увеличивая анодное напряжение на 1 Вольт. Анодное напряжение довести до 10 Вольт.

4. Произвести подобные измерения при напряжении накала 2,4 В и 2,6 Вольта.

5. Построить анодные характеристики, т.е. графики:

U_н = 2,2 Вольта

I_а = f ( Ua) при Uн= 2,4 Вольта

Uн= 2,6 Вольта

Все три графика выполнить на одном листе бумаги.

Таблица для записи результатов измерений

Uн =2,2В	Uн =2,4В	Uн =2,4В
Uа		Uа		Uа
- -		- -		- -

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется работой выхода из металла? Чем она обусловлена?

2. В чем состоит явление термоэлектронной эмиссии?

3. Что называется анодной характеристикой лампы? Объясните ее.

4. Что выражает собой ток насыщения и от чего он зависит?

5. Опишите оксидный катод.

ЛИТЕРАТУРА.

1. Б.М. Яворский и др., изд.1964 год, стр. 139, 147 - 149.

2. А. В. Кортнев и др., Практикум по физике, изд. 1963 год, стр. 272 - 274.

3. С.Г. Калашников, Электричество, изд. 1964 год, стр.378 -384.