Вывод по графику (шаблон):

Полученный экспериментально график зависимости __________________

название функции словами

от ______________ имеет вид прямой (проходящей через начало координат,

название аргумента

параболы, гиперболы, плавной кривой) и качественно совпадает с теорети-ческой зависимостью данных характеристик, имеющей вид ______________.

формула

ОТВЕТ: По результатам измерений и расчетов получено значение _________________________ , равное _____ = 10 ^___ _________

название физической характеристики символ степень един.измер

Вывод по ответу (шаблон):

Полученное экспериментально значение величины _________________,

полное название словами

равное _________________, с точностью до ошибки измерений,

число, единица измерения

составляющей ________________ , совпадает (не совпадает) с табличным

число, единица измерения

(теоретическим) значением данной величины, равным ________________ .

число, единица измерения

Лабораторная работа № 1 изучение явления термоэлектронной эмиссии

Цель работы:

Изучение явления термоэлектронной эмиссии и его практическое применение в электровакуумных приборах.

Краткая теория:

В металлах значительная часть электронов, отрываясь от атомов, создает электроны проводимости, участвующие в беспорядочном тепловом движении. Положительные ионы, образующие решетку металла, создают внутри его электрическое поле с положительным потенциалом, периодически меняющимся при перемещении вдоль прямой, проходящей через узлы решетки (рис. 1а). В грубом приближении этим изменением можно пренебречь и считать потенциал во всех точках металла одинаковым и равным . Свободный электрон, находящийся в таком поле, обладает отрицательной потенциальной энергией .

На рис. 1б представлено изменение потенциальной энергии электрона при переходе из вакуума в металл: в вакууме , в металле . Это изменение хотя и носит скачкообразный характер, но происходит не мгновенно, а на протяжении отрезка , по порядку величин, равного параметру решетки. Таким образом, металл является для электрона потенциальной ямой, которую он не может свободно покинуть. Выход электрона из металла, как из потенциальной ямы, требует совершения работы, которую называют работой выхода. Если бы электроны в металлах не обладали кинетической энергией, то для их освобождения требовалась бы работа . Эту работу называют полной или внешней работой выхода. Однако даже при абсолютном нуле температуры электроны обладают кинетической энергией так называемой «нулевой», заполняя все нижние энергетические уровни потенциальной ямы вплоть до уровня Ферми (энергия Ферми -- это максимальное значение энергии, которое может иметь электрон в металле при 0 К, то есть энергия, соответствующая наивысшему энергетическому уровню, занятому электроном в металле при Т = 0 К). Поэтому выход их из металла требует меньшей затраты энергии, чем . Наименьшая работа совершается при удалении электронов, расположенных на уровне Ферми. Ее называют термодинамической работой выхода .

При температуре, отличной от абсолютного нуля, работа выхода теряет до некоторой степени свою определенность. При Т > 0 К появляется значительное количество электронов, обладающих кинетической энергией, превышающей высоту потенциального барьера. В результате происходит «испарение» электронов из металла в окружающую среду, тем более интенсивное, чем выше его температура. Испускание электронов нагретыми телами носит название термоэлектронной эмиссии.

Термоэлектронная эмиссия лежит в основе устройства ряда электровакуумных и плазменных приборов.

Наблюдать явление термоэлектронной эмиссии можно, поместив вблизи нагретого металла (катод) проводник (анод) и создав между ними электрическое поле, ускоряющее для электронов. Такое устройство, размещенное в вакуумной среде, называется вакуумным диодом.

Сила тока в диоде зависит от величины потенциала анода относительно катода и температуры катода. Условие зависимости силы тока в диоде от анодного напряжения (анодная или вольтамперная характеристика) при различных температурах катода изображено на рис. 2.

Когда потенциал анода равен нулю, сила тока через диод мала. При увеличении положительного анода сила тока возрастает в соответствии с кривой 01. при дальнейшем возрастании анодного напряжения сила тока достигнет некоторого максимального значения , называемого током насыщения диода, и почти перестает зависеть от анодного напряжения (участок характеристик 14). Более высоким температурам катода соответствуют характеристики 0125 и 01236. При возрастании температуры катода увеличивается значение тока насыщения и . При этом увеличивается и то анодное напряжение, при котором устанавливается ток насыщения.

Вольтамперная характеристика диода нелинейна. Он представляет собой проводник, не подчиняющийся закону Ома. Зависимость тока диода от потенциала анода имеет вид

,

где -- постоянная, зависящая от формы и размеров электродов. Эта формула выражает уравнение кривой 0123 и носит название закона Богуславского – Ленгмюра или законом «степени ».

Когда потенциал анода становится настолько большим, что все электроны, испускаемые катодом за каждую единицу времени, попадают на анод, ток достигает своего максимального значения и перестает зависеть от анодного напряжения. Плотность тока насыщения характеризует эмиссионную способность катода, которая зависит от природы и его температуры. Эта зависимость выражается формулой Ричардсона-Дэшмена

,

где

- постоянная, которая для всех металлов с совершенно чистой поверхностью имеет одно и то же значение;

- термоэлектронная работа выхода данного металла.

Для управления анодным током в промежуток между катодом и анодом вводят дополнительный электрод – управляющую сетку. Прибор, имеющий накаливаемый катод, анод и управляющую сетку, называют трехэлектродной лампой или триодом. Электронный ток в такой лампе зависит не только от потенциала анода, но и от потенциала сетки относительно катода. Изменение потенциала сетки вызывает изменение анодного тока. При этом, так как поле анода частично экранируется сеткой, влияние потенциала анода слабее, чем потенциала сетки, и поэтому можно полагать, что полный ток с катода определяется результирующим или управляющим потенциалом

- величина, зависящая от геометрических параметров сетки, носит название проницаемости сетки, а обратная ей величина называется коэффициентом сеточного усиления. Коэффициент усиления имеет следующий физический смысл. Изменение анодного напряжения вызывает определенные изменение анодного тока , что в свою очередь соответствует изменению анодного напряжения. Изменение отношения анодного напряжения и напряжения сетки, дающих одинаковые изменения анодного тока представляет собой коэффициент усиления

,

Знак «-» показывает, что увеличение потенциала сетки, положительного относительно катода, соответствует уменьшению потенциала на аноде.

Свойства электровакуумного триода определяются зависимостями

• анодная или вольтамперная характеристика (при - температура катода предполагается постоянной и - потенциал сетки также сохраняется) рис. 3

• накальная характеристика при и

• сеточная характеристика при и , рис. 4

и параметрами

• крутизна характеристик

• внутреннее сопротивление

• коэффициент усиления

Коэффициент усиления можно определить, зная крутизну и внутреннее сопротивление

.