ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА

С ПОМОШЬЮ ВАКУУМНОГО ДИОДА

Приборы и материалы:вольтметр, сменная плата, универсальный лабораторный стенд, электронная лампа.

Теория

1.1. Общие сведения об электровакуумных приборах

Электровакуумными приборами называют приборы, в которых рабочее пространство изолированно газонепроницаемой оболочкой, имеет высокую степень разряжения или заполнено специальной средой и действие которых основано на использовании электрических явлений в вакууме или газе.

Электровакуумные приборы делятся на электронные, в которых проходит чисто электронный ток в вакууме, и ионные, для которых характерен электрический разряд в газе.

Особую группу электровакуумных приборов составляют электронные лампы, предназначенные для различных преобразований электрических величин.

В основе устройства и принципа работы электронных ламп лежит явление термоэлектронной эмиссии, т.е. процесс выхода электронов из твердых тел в вакуум или газ, обусловленный нагревом тела. Во всех электровакуумных приборах электронный поток можно регулировать, воздействуя на него электрическим или магнитным полем.

Электронные лампы, имеющие два электрода – катод и анод, называются диодами (рисунок 1). Главным назначением диодов является выпрямление переменного тока.

Диод имеет два электрода, установленных в вакуумированный стеклянный, металлический или керамический баллон.

Одним электродом является накаленный катод, служащий для эмиссии электронов. Другим – анод, служащий для улавливания электронов, испускаемых катодом. Анод притягивает электроны, если он имеет положительный, относительно катода, потенциал. В пространстве между катодом и анодом образуется электрическое поле, которое при положительном потенциале анода является ускоряющим для электронов, испускаемых катодом. Электроны, вылетающие из катода, под действием поля движутся к аноду и образуют ток эмиссии.

В пространстве между анодом и катодом электроны образуют отрицательный заряд, называемый объемным или пространственным, препятствующий движению электронов к аноду. При недостаточном положительном потенциале анода не все электроны могут преодолеть действие объемного заряда, и часть их возвращается на катод. Электроны, ушедшие с катода безвозвратно, определяют катодный ток. Чем выше потенциал анода, тем больше электронов преодолевает объемный заряд и уходит к аноду, т.е. тем больше катодный ток.

Поток электронов, летящих внутри лампы от катода к аноду и попадающих на анод, называют анодным током. Он протекает в анодной цепи. В диоде катодный и анодный токи всегда равны друг другу. Анодный ток является одной из важных характеристик электронной лампы.

Электроны этого тока движутся внутри лампы от катода к аноду, а вне лампы – от анода к ключу анодного источника, затем внутри него и от минуса источника к катоду лампы.

При изменении положительного потенциала анода изменяется катодный ток и равный ему анодный ток. В этом заключается электростатический принцип управления анодным током.

Если потенциал анода отрицателен относительно катода, то поле между анодом и катодом тормозит электроны, вылетающие из катода, и возвращает их на катод. В этом случае катодный и анодный токи равны нулю.

Анодный ток существует при выполнении двух условий: при накале катода, достаточном для электронной эмиссии, и при положительном потенциале анода относительно катода.

Разность потенциалов между анодом и катодом называют анодным напряжением и обозначают . Положительное анодное напряжение создает ускоряющее электрическое поле, под действием которого электроны движутся от катода к аноду.

1.2. Физические процессы в вакуумном диоде

Рассмотрим плоский диод, анодное напряжение которого создает между анодом и катодом электрическое поле. Если нет электронной эмиссии катода, то поле будет однородным. При нормальной работе катод испускает большое число электронов, которое в пространстве «анод–катод» создают отрицательный объемный заряд, препятствующий движению электронов к аноду. Наиболее плотный объемный заряд находится в близи катода.

Вследствие образования объемного заряда электрическое поле между анодом и катодом является неоднородным.

В зависимости от характера этого поля возможны два режима работы диода.

Основным режимом работы диода является режим объемного заряда или точнее режим ограничения анодного тока объемным зарядом. В этом режиме при низких анодных напряжениях катод окружен плотным облаком объемного заряда. В этом случае напряженность поля вблизи катода должна быть равна нулю. Действительно, если считать, что электроны, покидающие катод, имеют практически нулевую скорость, то, если напряженность поля вблизи катода направлена к аноду, ни один из электронов не покинет катода, и ток окажется равным нулю. Если же напряженность поля направлена к катоду, то все электроны, которые эмитировал катод, будут его покидать, и ток будет постоянным, независящим от напряжения, что противоречит наблюдаемым фактам.

Остается одна возможность: нулевая напряженность поля на катоде. В этих условиях изменение потенциала внутри лампы и ток определяются объемным зарядом.

При увеличении анодного напряжения поле на всем протяжении от катода до анода является ускоряющим, тогда любой электрон, вылетающий из катода, ускоренно движется на анод. Ни один электрон не возвращается в этом случае на катод, и анодный ток будет наибольшим, равным току эмиссии. Объемный заряд исчезает, и ток ограничивается лишь скоростью эмиссии электронов с катода. Этот режим называется режимом насыщения.

Основной характеристикой диода является вольт-амперная характеристика, выражающая зависимость анодного тока от анодного напряжения при постоянном напряжении накала (рисунок 2).

Ход характеристики объясняется следующим. При отсутствии анодного напряжения анодный ток лампы равен нулю, хотя вокруг катода и существует электронное облако. С увеличением анодного напряжения анодный ток увеличивается и электронное облако рассасывается. Точка а характеристики соответствует такому режиму работы, когда анодный ток оказывается равным эмиссионному току, т.е. электронное облако полностью рассосалось. Для диодов с простыми катодами этот ток называется током насыщения. Ему соответствует анодное напряжение .

Для изменения тока насыщения необходимо менять температуру катода.

Параметры диодов. Внутреннее сопротивление , т.е. отношение приращения анодного напряжения к приращению анодного тока на рабочем участке характеристики (участок Оа). Для выпрямительных ламп (кенотронов) его значения порядка нескольких сотен ом.

Допустимая мощность рассеяния на аноде выделяется при бомбардировке его электронами и при разогревании анода до некоторой допустимой температуры. Превышение может привести к расплавлению анода. Для современных анодов колеблется в пределах от долей ватт до десятков ватт.

Максимальный анодный ток ограничен током эмиссии катода, а также перегревом катода и анода. Значения обычно лежат в пределах от 0,01 до 1 ампера.

Максимальное обратное напряжение – это такое максимальное анодное напряжение обратной полярности, при котором еще не наступает пробой промежутка между анодом и катодом. Оно зависит от электрической прочности диода и лежит в пределах от десятков вольт до десятков киловольт.

1.3. Вывод приближенной формулы для определения удельного заряда электрона

На основе изучения устройства, принципа действия и применения электронных ламп, в частности диода, возможно опытное определение удельного заряда электрона , поскольку эта величина входит в аналитическое выражение анодной характеристики. Применительно к диоду с плоскими параллельными электродами анодная характеристика описывается формулой (16 П 1) из приложения 1.

Выведем приближенную формулу для расчета удельного заряда электрона с плоскопараллельными электродами, рассматривая диод как конденсатор (рисунок 3), емкость которого:

, (1)

где – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, – площадь пластин конденсатора и – расстояние между пластинами.

Если катод нагрет до определенной температуры, то эмитированные им электроны устремляются к аноду, создавая ток:

, (2)

где – заряд между катодом и анодом, – время полета электрона от катода к аноду. За это время все электроны, находящиеся между анодом и катодом, попадут на анод.

Теория тока, ограниченного объемным зарядом, дает, что заряд удовлетворяет следующим соотношениям < < , где – заряд на обкладках конденсатора в отсутствии эмиссии.

По определению, заряд, находящийся на обкладках плоского конденсатора, равен:

или . (3)

Тогда с учетом уравнения (3) уравнение (2) преобразуется:

. (4)

Умножив числитель и знаменатель (4) на , получим:

, (5)

где – средняя скорость движения электронов.

Если считать движение электронов равноускоренным и пренебречь их начальной скоростью, то можно записать: , где – конечная скорость электрона, достигшего анода, тогда: