Лабораторная работа № 7 изучение термоэлектронной эмиссии

Цель работы: ознакомление с явлением термоэлектронной эмиссии и устройством электронной лампы; снятие анодной и сеточной характеристик вакуумного триода, определение параметров электронной лампы.

Оборудование: электронная лампа, три источника тока, два вольтметра, миллиамперметр.

Краткие теоретические сведения

Трехэлектродная электронная лампа (триод) представляет собой стеклянный или металлический баллон, внутри которого создается вакуум порядка 10^-7  10^-8 мм рт.ст. В баллоне помещаются два соосных цилиндрических электрода: катод K и охватывающий его анод А (рис.7.1,а).

Между ними, окружая катод, располагается спираль с редкими витками сетка C. Внутри катода имеется вольфрамовая нить накала Н, которая нагревает катод до высокой температуры (1500 ⁰С  2000 ⁰С). Схематическое изображение триода показано на рис. 7.1,б.

Рис. 7.1.

При нагревании катода возрастает амплитуда и, следовательно, кинетическая энергия колебания ионов материала катода. Рост амплитуды колебаний ионов приводит к повышению вероятности столкновения их со свободными электронами, в результате чего электроны приобретают кинетическую энергию, достаточную для выхода из объема материала катода. Это явление называется термоэлектронной эмиссией.

Вылетевшие электроны образуют вокруг катода отрицательный объемный заряд  своеобразное электронное облако. Дальнейшему увеличению электронного облака будут препятствовать, во-первых, силы отталкивания, действующие на вылетающие электроны, со стороны объемного отрицательного заряда. Во-вторых, наведенный положительный заряд в объеме катода, притягивающий вылетающие электроны. В результате наступит динамическое равновесие между электронами, вылетающими из металла и электронами, возвращающимися из электронного облака в металл за тот же промежуток времени.

Если анод соединить с положительным выводом источника тока, а катод  с отрицательным, то электроны из облака будут перемещаться к аноду, и в лампе возникнет анодный ток Ia. График зависимости Ia от Ua (разности потенциалов между катодом и анодом) называется анодной характеристикой лампы и показан на рис.7.2.

Рис.7.2.

При малых напряжениях Ua число электронов, уходящих к аноду, невелико и ток растет медленно (участок ОВ). Причина этого в том, что на этом участке в образовании тока участвуют только верхние слои электронного облака. Из-за высокой плотности электронного облака и сильного экранирования верхними слоями электрическое поле практически не проникает к поверхности катода.

В этом случае зависимость тока от напряжения описывается теоретической формулой Богуславского - Ленгмюра (закон “трех вторых”):

.

Здесь С  постоянная для данной лампы, зависящая от формы и расположения электродов. В реальных лампах закон “трех вторых” выполняется приближенно.

При увеличении напряжения электронное облако вытягивается вдоль поля, становится менее плотным и более однородным. В образовании электрического тока начинают участвовать все электроны облака, как это происходит в металле. Поэтому на участке BD ток возрастает в соответствии с законом Ома, т.е. линейно.

При дальнейшем увеличении разности потенциалов между анодом и катодом эта линейность нарушается (участок DE), поскольку электронное облако полностью рассасывается, истощается. На участке EF наступает насыщение, когда ток анода почти не зависит от напряжения. Причина этого в том, что все электроны, испускаемые катодом, сразу же летят к аноду, не успевая образовать электронное облако.

Так как эмиссия электронов с катода зависит от температуры, анодный ток также зависит от нее: большей температуре соответствует больший ток.

Весьма ценным качеством электронных ламп является возможность управления анодным током с помощью сетки, помещенной между катодом и анодом. Потенциал сетки того или иного знака облегчает или затрудняет движение электронов. Анодный ток будет значительно сильнее зависеть от сеточного напряжения Uc, чем от анодного Ua, поскольку сетка расположена к катоду гораздо ближе, чем анод. Например, если расстояние между анодом и катодом в 100 раз больше расстояния между сеткой и катодом, то для получения одного и того же анодного тока на сетку требуется подать напряжение в 100 раз меньше, чем на анод. На этом основан принцип усиления радиолампы с сеткой.

График зависимости Ia от Uc при постоянном анодном напряжении называется сеточной характеристикой.

Помимо радиолампы термоэлектронная эмиссия используется, например, в рентгеновских трубках, в кинескопах, в ускорителях, в электронно-лучевых резаках и скальпелях, в электронных микроскопах и т.п.