Задание 1. Определение температуры катода.

№ п/п	кГц	дел	дел	Цена деления В/дел	В	В

6. Данные измерений и вычислений занесите в таблицу 1.1. При записи значений выполните округление результата.

*)На осциллографе С1-8З нажмите кнопки «0,5-5 ВНЕШН. » и «~»

Задание 5. Изучение электрических процессов в LR -цепи.

Цель задания — та же, что и в задании 4, только используется

цепь из индуктивности L и резистора R.

Электрическая схема приведена на рис.1.10.

Индуктивность включается последовательно с резистором

нажатием соответствующей кнопки на модуле «ФПЭ-09».

Рис.6.1. Электрическая схема включения вакуумного диода.

Нить катода подключена к источнику накала (2,5 - 4,5 В), регулируя напряжение которого , можно менять ток накала , а следовательно, мощность нагрева и температуру катода.

Варьирование напряжения на лампе (анодного напряжения ) приводит к изменению тока протекающего через диод. Ток накала и анодный ток измеряются амперметрами ₁ и ₂, а соответствующие напряжения - вольтметрами и .

Зависимость тока от напряжения называют вольт - амперной характеристикой. Типичный вид таких характеристик диода при различных токах накала приведен на рис.6.2. Отметим, что на рисунке .

Основным свойством диода является его односторонняя проводимость, что находит применение для выпрямления переменного Рис.6.2.Вольт-амперные характеристики вакуумного диода.

тока, детектирования радиосигналов и других аналогичных целей. При отрицательных напряжениях на аноде ( < 0) ток через диод практически равен нулю, поскольку в этом случае только незначительная часть

электронов имеет энергию достаточную, чтобы достигнуть анода. Вобласти < О на вольт-амперной характеристике можно выделить два участка.Присравнительно малых анодных напряжениях выполняется «закон трех вторых»:

, (6.1)

где - постоянная для данного диода величина.

Теоретически выражение (6.1) было обосновано Ленгмюром и Богуславским. Указанный характер зависимости объясняется наличием электронного облака вокруг катода, объемный заряд которого препятствует достижению электронами анода. При увеличении анодного напряжения плотность объемного заряда уменьшается, что приводит к сравнительно резкому увеличению анодного тока.

При достаточно больших анодных напряжениях ток практически перестает меняться, то есть достигает насыщения. В этом случае объемный заряд незначителен и почти все испущенные катодом электроны достигают анода. Величина тока насыщения существенно зависит от температуры Т катода. Плотность тока насыщения , где - площадь поверхности катода, определяется формулой Ричардсона - Дешмана:

(6.2)

Здесь - постоянная Больцмана; - эмиссионная постоянная, зависящая от материала катода.

Отметим, что специальная обработка поверхности катода позволяет уменьшить величину .

Детальный анализ вольт - амперных характеристик диода показывает, что при повышении анодного напряжения ток насыщения несколько увеличивается. Зависимость от в области насыщения близка к линейной. Это явление называется эффектом Шоттки и объясняется тем, что поле, существующее между анодом и катодом, облегчает выход электронов из металла. Таким образом, в формуле (6.2) вместо (фактически должно стоять эффективное значение работы выхода , которое зависит от . Для определения основной работы выхода можно использовать предельное соотношение:

(6.3)

Методика определения работы выхода

Непосредственной целью исследования является определение работы выхода электронов из вольфрама на основе изучения вольтамперных характеристик диода. Фактически задача сводится к нахождению значений параметров и , обеспечивающих наилучшую аппроксимацию экспериментальных результатов формулой (6.2). Эта задача упрощается при использовании «метода прямых» Ричардсона, который сводится к линеаризации зависимости (6.2).

Логарифмируя выражение (6.2), получаем:

(6.4)

Здесь величина является линейной функцией вида:

(6.5)

от аргумента , где , .

Таким образом, если построить по экспериментальным данным график зависимости , то он должен иметь вид прямой линии.

По графику можно найти величину , как ординату точки пересечения прямой с осью у, и величину , как угловой коэффициент , характеризующий наклон прямой (тангенс угла наклона). Отсюда получим значения параметров по формулам:

(6.6)

Отметим, что задача нахождения параметров и может быть решена также численным способом на основе метода наименьших квадратов МНК (см. Приложение 1). Применение такого подхода целесообразно при использовании ЭВМ.

Учитывая соотношение (6.3), для определения необходимо использовать величины плотности тока насыщения, соответствующие значениям . Для их нахождения требуется продолжить линейный участок вольт - амперной характеристики диода до пересечения с осью ординат, как показано на рис.6.2. Точка пересечения дает значение тока . Задача линейной экстраполяции может решаться либо графически, либо численным способом МНК на основе соотношения:

(6.7)

где - угловой коэффициент.

Необходимым условием применения описанного метода является

знание температуры катода при различных токах накала. В данной работе величина определяется косвенным способом по измерению электрической мощности накала. Предполагается, что электрическая мощность , подводимая к катоду, расходуется в основном на тепловое излучение. Конвективным теплоотводом через токоподводящие электроды лампы пренебрегаем. Тогда для мощности накала справедливо соотношение:

(6.8)

где - мощность излучения, отводимая с единицы площади катода, - площадь его излучающей поверхности.

Поскольку температура анода сравнительно невелика, то поток излучения от анода к катоду незначителен. Таким образом, можно считать, что плотность потока энергии, рассеиваемой с поверхности катода, определяется формулой Стефана-Больцмана для теплового излучения:

(6.9)

где - постоянная Стефана – Больцмана;

- степень черноты поверхности катода, которая для вольфрама при характерных температурах накала равна . В результате для определения температуры катода получаем выражение:

(6.10)

Площадь поверхности катода можно найти, зная его длину и диаметр , по формуле:

(6.11)

Для исследуемого диода мм и мм.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Экспериментальная часть работы состоит из трех этапов:

- измерение мощностей нагрева катода по значениям и ;

-снятие вольт - амперных зависимостей при различных токах накала;

-экспериментальное определение токов насыщения I при различных токах накала.

Схема лабораторной установки приведена на рис.6.3.

Исследуемый диод размещен в модуле «ФПЭ-06/05». На модуль по соединительному кабелю от источника питания ИП» подаются регулируемые напряжения 2,5—4,5 вольта для питания накала катода и 2...120 В для питания анодной цепи.

Сила тока накала измеряется стрелочным амперметром А1, встроенным в источник «ИП», а напряжение накала - внешним цифровым прибором (род работы — «U=»), подключаемым к соответствующим гнездам на панели источника «ИП» (прибор на рис.6.3 не показан).

Сила тока в лампе измеряется цифровым вольтметром В7-40 (род работы «I=»), подключаемым к гнездам «РА» на панели модуля «ФПЭ-06», а напряжение на лампе — другим внешним цифровым вольтметром В7-22А, подключаемым к соответствующим гнездам на панели модуля или встроенным в источник питания стрелочным вольтметром.

Рис.6.3. Электрическая схема лабораторной установки.

Задание 1. Определение температуры катода.

1. Подключите источник питания к модулю «ФПЭ-06», а вход

« 0-300» цифрового вольтметра В7-22А к гнездам «2,5... 4,5В» на передней панели «ИП» (см. рис. 6.3). Нажмите левую клавишу «КОНТРОЛЬ ТОКА» на «ИП».

Установите вольтметр на измерение постоянного напряжения до

20 В.

2. Измеряя ток накала от 1,3 А до 1,7 А через каждые 0,1 А, измерьте соответствующие значения напряжения накала и занесите результаты в таблицу 6.1.

Таблица 6.1

№ п/п

З. Вычислите значения абсолютной температуры катода по формуле (6.10) и занесите их в четвертую колонку таблицы 6.1.