Построив график зависимости lgIa=f(lgUa) , получим прямую линию для участка ab на рис. 1, угловой коэффициент которой равен n а отрезок, отсекаемый этой прямой на оси ординат, равен lgC.

Теоретическая часть

Явление термоэлектронной эмиссии

В атомах металлов валентные электроны слабо связаны с ядрами и, отщепляясь от своих атомов, свободно распределяются по всему объёму металла. Такие электроны называются свободными электрона­ми проводимости. Свободные электроны, находясь в состоянии бес­порядочного движения, вообще говоря, не могут выйти за пределы металла, так как их выходу препятствует электрическое поле, дей­ствующее в узкой области вблизи поверхности металла. Причины его возникновения таковы.

1. В результате теплового движения некоторые из свободных электронов выходят за поверхность металла, образуя электронное облако, которое препятствует дальнейшему выходу электронов. Пло­тность электронного облака очень быстро убывает по мере удаления от поверхности металла.

2. Случайное удаление электрона от наружного слоя приводит к    возникновению на поверхности   металла   индуцированного положи­тельного заряда, поэтому    между    электроном и металлом возникают кулоновские силы притяжения.

В результате у поверхности   металла   образуется   двойной элек­трический слой, поле    которого подобно полю плоского конденсато­ра, отрицательной обкладкой является электронное облако, а поло­жительной - поверхность    металла. Это поле   препятствует    выходу свободных электронов из металла.

Для вырывания электронов из металла должна быть совершена определённая работа, которая получила название работы выхода:

,                                                                    (3)

где e -заряд электрона, φ- поверхностная разность потенциа­лов. Работа выхода для различных металлов неодинакова и колебле­тся в пределах от I до 5 эВ.

При комнатных температурах лишь ничтожная часть электронов внутри металла имеет достаточный запас кинетической энергии, чтобы вырваться наружу. По мере повышения температуры число быстрых электронов возрастает, благодаря чему возрастает и число электронов, вырывающихся из металла. При достаточно высокой температуре  наступает заметное испускание электронов металлом.  Это явление носит название термоэлектронной эмиссии. Термоэлектронная эмиссия лежит в основе устройства электронных ламп. Простейшая электронная лампа представляет собой стеклянный баллон, из которого выка­чан воздух до давления порядка 1О-6 мм рт.ст. с впаянными двумя металлически­ми электродами - катодом  и анодом. Электрическое поле, образующееся между катодом и анодом, ускоряет электроны, вылетевшие из катода при его нагревании, что приводит к появлению анодного тока. Зависимость анодного тока Ia от анодного напряжения при по­стоянной температуре катода графически представлена на рис. 1. Эта кривая называется вольт-амперной, или анодной характеристикой двухэлектродной лампы. Как видно из графика, зависимость между током и напряжением в лампе не подчиняется закону Ома, а носит более сложный характер. При нулевом потенциале анода ток или очень мал или равен нулю. При увеличении положительного потенциа­ла на аноде ток возрастает (участок аб).  По мере роста анод­ного напряжения всё большее число электронов достигает анода и, наконец, при определённом значении Uа* все электроны, испускаемые катодом за единицу времени, попадают на анод, ток достигает сво­его максимального значения и почти перестаёт зависеть от напря­жения - это ток насыщения Iнас.

Ток насыщения   характеризует   эмиссионную способность катода, которая зависит от природы катода и его температуры. Он растёт с повышением температуры катода. Зависимость тока насыщения от температуры катода выражается формулой Ричардсона-Дешмена:

         ,                                     (4)

где А=6,02·105 А/м2К2  - постоянная, одинаковая почти для всех металлов, - площадь поверхности катода.

Плотность тока насыщения в соответствии с формулой 4 сильно зависит от температуры и работы выхода. Так, например, для чистой поверхности вольфрама при температуре 1000 К плотность тока  насыщения

ј≈ 1,3·10-11 А/м2,  та же поверхность вольфрама при температуре 3000 К даст плотность тока насыщения  ј≈ 1,1·105 А/м2. Как видно, повышение температуры от 1000К до 3000 К ведет к возрастанию тока насыщения в 1016 раз. Приведенные цифры показывают, что для получения заметного термоэлектронного тока  с вольфрамового катода его необходимо накаливать до очень высокой температуры.

С другой стороны, для целей практики очень важно, по возможности, снизить рабочую температуру катода электронной лампы, так как при этом уменьшается мощность, расходуемая на накал катода и увеличивается срок службы лампы. Поэтому в настоящее время наряду с катодами из чистых тугоплавких металлов (вольфрам, молибден) широко применяются катоды более сложного устройства.

Большое техническое применение получил оксидный катод. Он содержит металлическую подложку (керн), на которую нанесен слой окислов щелочноземельных металлов. Для накаливания катода через керн пропускают ток (катоды прямого нагрева) или нагревают катод при помощи вспомогательной металлической спирали (подогревные катоды). Для придания катоду высокой эмиссионной способности его подвергают дополнительной обработке (активирование), состоящей в том, что через электронную лампу при температуре катода около 1000 К в течение некоторого времени пропускают термоэлектронный ток.  При активировании катода на его поверхности возникает одноатомный слой положительных ионов щелочноземельного металла, который сильно понижает работу выхода и этим увеличивает эмиссионную способность катода.

При изготовлении оксидных катодов на керн сначала наносят углекислые соединения щелочноземельных металлов и затем прокаливают катод перед активированием в вакууме. При этом углекислые соединения разлагаются согласно реакции:

BaCO3↔BaO+CO2

и керн оказывается покрытым окислами.

Современные оксидные катоды отличаются высокими качествами. Их рабочая температура равна 1000 К, а иногда и ниже. Нормальная эмиссионная способность таких катодов достигает 104 А/м2. Для сравнения укажем, что рабочая температура вольфрамовых катодов лежит около 2400 К, а снимаемые с них термоэлектронные токи на практике не превышают 103 А/м2. При очень кратковременных токах (импульсы тока длительностью 10-6 -10-5 с) оксидные катоды способны давать эмиссию до 106 А/м2 и выше.

Точного математического выражения зависимости анодного тока от анодного напряжения на всей вольт-амперной характеристике найти не удаётся. Приняв некоторые, вполне реальные допущения, С. А. Богуславский и  И.Ленгмюр показали, что наиболее важный участок характеристики  можно достаточно точно описать формулой: 

Ia = CUa3/2 ,                                                (5)

где С - постоянная, зависящая от формы и размеров электродов. Эта формула носит название закона Богуславского-Ленгмюра, или закона трёх вторых. Допущения, сделанные при её выводе, следую­щие: а) начальными скоростями эмитированных электронов пренеб­регают и считают их равными нулю;  б) анодный ток далёк от насы­щения; в) пространственный заряд создает такое распределение потенциала, что непосредственно на поверхности катода напряжён­ность поля равна нулю.

В реальных диодах наблюдаются    значительные отклонения от за­кона    трёх    вторых. Эти    отклонения    обусловлены     рядом    причин: а)  напряжённость    электрического поля у поверхности    катода нес­колько отличается от нуля;  б)  система катод-анод    асимметрична;  в) не учитывается    наличие   контактной    разности потенциалов   между    катодом и анодом; г)  происходит ионизация    остаточного газа. Поэтому анодный ток возрастает      значительно быстрее, чем следует из закона трёх вторых.

Экспериментальная  установка

Для изучения явления термоэлектронной эмиссии и проверки закона трех вторых, можно воспользоваться установкой, принципиальная схема которой представлена на рис.2. Катод нагревается пере­менным током от источника Одновременно катод К электронной лампы соединён с отрицательным полюсом исто­чника питания постоянного тока 110 В, а анод А - с положительным. Температуру накала катода можно менять, регулируя ток,  подаваемый с источника на нить накала катода, который измеряется амперметром А. Ве­личину анодного напряжения можно менять, регулируя напряжение, подаваемое с источника постоянного тока  и измерять вольтметром V. 

Микроамперметр А предназначен для измерения анодного тока.

Проведение эксперимента

1.                 Собрать схему по рис. 2. Включать схему в цепь только с разрешения  преподавателя!

2.                 Включить цепь накала и установить ток накала Iи=5,1 А. Меняя анодное напряжение от 0 до 20 В через 5 В, а затем от 20 до 100 В через каждые 10 В, снять анодную характеристику лампы.

3.                 Снять анодные характеристики лампы при меньших токах накала – 5,0 А и 4,9 А. Занести все измерения в таблицу 1:

Таблица 1

Iи  = 5, 1 А		Iи = 5, 0 А		Iи = 4, 9 А
Ua, В	Iа, мкА	Ua, В	Iа, мкА	Uа. В	Ia, мкА

4.                 Построить графики зависимостей  Ia=f (Ua) по данным измерений. Оп­ределить для всех кривых ток насыщения.

5.                 Вычислить значения   lgIa и  lgUa  для одного из    токов   на­кала. Результаты занести в таблицу 2:

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25

Голосование

Как вы оцениваете работу нашего сайта? Отлично Хорошо Нормально Плохо Результаты