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 Ua анодный ток становится равным току эмиссии катода, т. е. все электроны, вылетевшие с катода, достигают анода (режим насыщения). При меньшем Ua не все электроны способны долетать до анода и создают вблизи катода пространственный заряд. Анодный ток Ia в режиме пространственного заряда описывается законом Богуславского—Ленгмюра
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(Ua) 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 Еоб 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 jнас 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).