ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОЛЬТ–АМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВАКУУМНОГО ДИОДА.

---

Лабораторная работа 4.3.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОЛЬТ–АМПЕРНОЙ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ВАКУУМНОГО ДИОДА
И ПРОВЕРКА ЗАКОНА
БОГУСЛАВСКОГО—ЛЕНГМЮРА

Библиографический список

1. Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высшая школа, 1985.

2. Савельев И.В. Курс общей физики. – М.: Наука, 1988. Т. 2.

Цель работы: изучение термоэлектронной эмиссии и закономерностей протекания тока в вакууме.

Приборы и принадлежности: лабораторная установка «Определение вольт-амперной характеристики вакуумного диода».

Описание метода и экспериментальной установки

Вакуумный диод представляет собой электронную лампу с двумя электродами — анодом и накаливаемым катодом. Если на анод подаётся положительный потенциал относительно катода, то электроны, испущенные катодом, за счёт термоэлектронной эмиссии движутся к аноду и возникает анодный ток. При достаточно большом напряжении на аноде U_a анодный ток становится равным току эмиссии катода, т. е. все электроны, вылетевшие с катода, достигают анода (режим насыщения). При меньшем U_a не все электроны способны долетать до анода и создают вблизи катода пространственный заряд. Анодный ток I_a в режиме пространственного заряда описывается законом Богуславского—Ленгмюра

(1)

где k — постоянный коэффициент, зависящий от конструкции и размеров электродов. График зависимости анодного тока от анодного напряжения называется вольт-амперной характеристикой диода.

Вольт-амперная характеристика (рис. 1) позволяет проследить характер происходящих в лампе процессов.

На участке 1 поле тормозит движение электронов к аноду. Задерживающий потенциал преодолевают только те электроны, скорость которых достаточно велика. Кривая I(U_a) на этом участке (кривая задержки) позволяет рассчитать распределение термоэлектронов по скорости вылета из катода и зависит от формы и размеров электродов. На участке 2 (0<U<U₀) внешнее ускоряющее поле Е меньше тормозящего поля объёмного заряда Е_об у катода и анодное напряжение начинает ускорять электроны, начиная с некоторого расстояния от катода. Величина тока на участке СД нарастает по закону степени трёх вторых.

На участке 3 при достаточно больших значениях U все термоэлектроны достигают анода, ток перестаёт расти — наступает насыщение. Плотность тока насыщения j_нас определяется термоэлектронной миссией.

Для участка СД характеристики в координатах I и зависимость имеет линейный характер (рис. 2).

По закону Богуславского – Ленгмюра:

,

т.е. по графику (рис. 2) можно определить величину В.

Лабораторная установка (рис. 3) состоит из диода Д, приборов: для измерения тока в лампе – амперметра А и напряжения между электродами – вольтметра В, а также двух источников напряжения: регулируемого для накала катода – накального трансформатора НТр, и анодного, включающего автотрансформатор (ЛАТР), выпрямитель М и конденсатор фильтра С.

Порядок выполнения работы

Для использованного в данной лабораторной работе диода типа 2Ц2С с цилиндрическими коаксиальными электродами, можно считать

e/m = 3,7×10²¹(r/L)² B², (2)

где e/m – удельный заряд электрона;
r – радиус анода (= 10 мм);
L – длина катода (= 20 мм);
B – угловой коэффициент

1. Снять вольтамперные характеристики при трёх значениях тока накала и построить их графически.

2. Построить графики зависимости анодного тока от анодного напряжения в степени три вторых.

3. Определить угловой коэффициент построенной прямой и рассчитать по нему величину удельного заряда электрона, используя формулу (2).

4. Сравнить полученное значение e/m со справочным значением (e/m = 1,76×10¹¹ Кл/кг).