Лабораторная работа № 1

Исследование явления термоэлектронной эмиссии

Цель работы:

Определение эмиссионных параметров вольфрамового термокатода

Учебные задачи:

Задача 1. Построение и анализ вольт-амперной характеристики накала.

Задача 2. Определение температуры катода по его сопротивлению.

Задача 3. Определение температуры катода по мощности теплового излучения.

Задача 4. Построение и анализ анодных вольт-амперных характеристик. Определение токов насыщения диода.

Задача 5. Оценка эмиссионной постоянной и работы выхода электрона с помощью формулы Ричардсона-Дешмана.

Приборы и принадлежности: Универсальный источник питания УИП, электронная лампа ГУ-4, вольтметры, миллиамперметр, амперметр, реостаты.

Описание установки и методика эксперимента

В данной работе исследуется эмиссия электронов с поверхности вольфрамового катода вакуумной электронной лампы ГУ–4. Катод прямого накала выполнен из вольфрамовой проволоки и имеет форму тонкой согнутой пополам прямой нити (площадь катода S = 0,05 см²). Анод имеет форму коаксиального с катодом никелевого цилиндра.

Цепь накала катода содержит: источник стабилизированного напряжения (блок питания БП и выпрямитель-стабилизатор напряжения СН), реостат R₁ и приборы для регистрации постоянного тока A₁ и напряжения V₁ накала катода. Катод нагревается током, температуру катода можно менять, регулируя с помощью реостата R₁ силу тока накала. Цепь анода включает: блок питания, реостат R₂ и приборы для регистрации анодного тока A₂ и напряжения V₂ между катодом и анодом. Анодное напряжение можно изменять с помощью реостата R₂, выполняющего функцию потенциометра.

Экспериментальная часть (выполнение измерений)

Учебная задача 1. Построение вольтамперной характеристики накала

Таблица 1а.

Результаты измерений и расчета параметров нити накала

Uн, В
Iн, А
R, Ом
T, К

Обработка экспериментальных данных и анализ результатов эксперимента

Учебная задача 2. Определение температуры катода по его сопротивлению

Основные учебные задания по данному этапу:

2. Для каждой пары значений тока и напряжения накала рассчитать в соответствии с законом Ома сопротивление разогретого катода: (1)

3. Для каждой пары значений тока и напряжения накала рассчитать температуру катода. Расчет основан на том, что сопротивление металлов существенно растет при повышении температуры. В этом случае для определения температуры поверхности катода применяется выражение: , (2) где R_o – сопротивление катода при нуле градусов Цельсия;  – температурный коэффициент сопротивления (принять равным 0,0048 К^–1 ). При расчетах сопротивление катода при нуле градусов Цельсия принять равным R_o  = 0,33 Ом.

Сделать вывод о том, как зависит сопротивление металлического вольфрама от температуры.

4 зависимость температуры катода вакуумного диода от тока накала (рис. 2 б).

5. Оценить погрешность определения температуры катода. Учесть, что абсолютная ошибка T однократного определения температуры катода равна: , где U и I — инструментальные погрешности вольтметра и амперметра, которые рассчитываются по классу точности измерительных приборов.

Учебная задача 3. Определение температуры катода по мощности теплового излучения

Расчет температуры в данном методе выполняется с помощью закона Стефана-Больцмана. Предполагается, что подводимая к катоду мощность тока накала расходуется, в основном, на его нагрев и рассеивается виде теплового излучения:. Приравнивая эти формулы, получаем для температуры поверхности катода выражение:_{, .} (3)

где а — коэффициент черноты излучателя;  — постоянная Стефана-Больцмана.

6. Для каждой пары значений тока и напряжения накала рассчитать удельную тепловую мощность тока накала и температуру катода по формуле (3). Площадь поверхности катода принять равной S_катода = 0,15 см². В интервале температур от 2200 К до 2700 К для расчетов может быть использовано взятое из литературных данных среднее значение коэффициента а_ср = 0,29. Результаты расчетов представить в таблице 1б

Таблица 1б