Вивчення явища термоелектронної емісії

 

Мета роботи: вивчити явище термоелектронної емісії і його використання в електронних лампах.

Прилади та матеріали: змонтований макет лабораторної установки.

У сучасній техніці широко використовуються електровакуумні прилади -радіолампи, електронно-променеві трубки, фотоелектронні помножувачі, вакуумні фотоелементи тощо. Дія цих приладів заснована на проходженні струму у вакуумі. При цьому мова йдеться про технічний вакуум (розрідження становить 10-6 -10-7 Па).

Розглянемо процеси, які відбуваються в електронній лампі при постійному струмі розжарення катода.

У відсутності анодної напруги навколо розжареного катода утворюється так звана електронна хмара, яка являє собою просторовий негативний заряд. У стані термодинамічної рівноваги число електронів, які вилетіли з катода, дорівнює числу електронів, що повернулись в метал. При цьому густина електронної хмари тим більша, чим вища температура катода.

Між катодом і анодом створюється електричне поле, під дією якого і відбувається напрямлений рух електронів, тобто електричний струм у вакуумі. Залежність струму через діод від прикладеної напруги має досить складний характер. При деякому значенні Ua=Uн всі електрони досягають анода, а струм стає таким, що дорівнює струмові насичення, і дальше його зростання припиняється (рис. 1).

Така залежність струму від напруги називається анодною (вольт-амперною) характеристикою діода. При невеликих значеннях напруги струм зростає пропорційно Ua3/2. Цю залежність встановили С. Богуслав-ський та І. Ленгмюр, і називається вона законом трьох других. Формула Богуславського-Ленгмюра має вигляд:

де k – коефіцієнт пропорційності, який залежить від форми і розмірів електродів лампи.

Формула (1) справедлива при досить великих емісіях катода. Тому, для досягнення якомога більшої термоелектронної емісії, матеріал повинен мати найменшу роботу виходу.

Емісійну здатність матеріалу катода визначає густина термоелектрон-ного струму насичення, що характеризує максимальну кількість електронів, які можуть покинути метал з одиниці поверхні за одиницю часу.

Для визначення густини термоелектронного струму насичення користуються моделлю, згідно з якою сукупність вільних електронів в металі вважають як ідеальний електронний газ, до якого застосовна квантова статистика Фермі-Дірака. Розрахунки, виконані на основі квантової статистики, приводять до такої формули:

де e – робота виходу;

A – стала, яка не залежить від роду матеріалу (теоретичне значення її 1, 2106 А/м К).

Вперше аналітичну залежність струму насичення від роботи виходу встановив О. Річардсон на основі термодинамічних міркувань. Пізніше Дешман вивів цю формулу на основі квантово-механічних міркувань. Тому формула (2) дістала назву

Рис. 1 формули Річардсона-Дешмана. Ця формула досить добре узгоджується з експериментом. Як видно з (2) густина термоелектронного струму насичення досить швидко зростає з підвищенням температури катода і визначається також значенням роботи виходу. Тому, щоб дістати великий струм насичення, а також для збільшення строку роботи лампи потрібно знижувати робочу температуру катода. Це досягається застосуванням так званих складних катодів: барієвих, цезієвих, оксидних та інших, з яких найефективнішим є оксидний. Оксидний катод складається із нікелевого або вольфрамового провідника, на який нанесено суміш оксидів барію і стронцію. Це дає змогу, згідно з формулою (2), одержати великі густини струму при порівняно невисоких температурах (1000-1170 К). Оксидні катоди знайшли широке застосування в електровакуумних приладах.

Технічне значення електронних ламп визначається тим, що електронним струмом в лампі можна легко керувати. Для цього в електронні лампи вводять ще один або кілька додаткових металевих електродів; їх часто виготовляють у вигляді проволочних спіралей і розміщують між катодом і анодом. Ці додаткові електроди одержали назву сіток. На рис. 2 показано схематичне зображення тріода.

Оскільки сітка розміщена ближче до катода і певною мірою “екранує” вплив анода на катод, то незначна зміна потенціалу на ній досить сильно впливає на величину анодного струму.

Отже, якщо на сітку подати навіть невеликий позитивний потенціал, електрони прискорюються і, навпаки, навіть незначний негативний потенціал гальмуватиме електрони.

 

 

на сітці Uc при сталій анодній напрузі (Uа = const), називаються сітковими характеристиками лампи (рис. 3).

Для різних анодних напруг запірний потенціал Uз різний (рис. 3). Для більших анодних напруг запірний потенціал більший. Тому для різних значень напруг можна дістати так зване сімейство сіткових характеристик, з яких визначають основні параметри тріода; крутизну сіткової характеристики S, внутрішній опір R і коефіцієнт підсилення .

Для визначення параметрів лампи методом трьох точок треба на прямолінійній ділянці двох сіткових характеристик побудувати характеристичний трикутник АВС (рис. 3). Сторона АВ визначає зміну напруги на сітці лампи Uc, ВС – зміну анодного струму Ia. Визначивши величину Uа = Uа2 – Uа1, можна обчислити параметри лампи.

Крутизна сіткової характеристики є показником ступеня підсилення лампи і визначається як тангенс кута нахилу характеристики

Внутрішній опір – відношення приросту анодної напруги до викликаного нею приросту анодного струму (при сталій напрузі на сітці лампи).

Коефіцієнт підсилення  дорівнює відношенню зміни анодної напруги Uа до зміни напруги на керуючій сітці Uc, які спричиняють ту саму зміну анодного струму?

Величина, обернена до коефіцієнта підсилення, називається проникністю лампи D:

Розглянуті характеристики належать до так званого статичного режиму роботи лампи, тобто такого, коли в анодному колі немає анодного навантаження. При наявності анодного навантаження параметри лампи і режими її роботи називають динамічними.

На рис. 4 наведено схему для визначення основних параметрів тріода і зняття анодних та сіткових характеристик. K1, K2 – подільники напруги; П – перемикач, яким можна змінювати знак потенціалу на сітці лампи.

 

 

Скласти коло за схемою на рис. 4, дотримуючись полярності подільників напруги K1, і K2.

Зняти вольт амперну характеристику Ia = f (Ua) при Uc = 0 та сіткові характеристики Ia = f (Uc) при двох значеннях анодної напруги: Ua = 40 В і Ua = 60 В. При зніманні сіткових характеристик слід підтримувати постійними значення анодної напруги.

Подільником напруги K1 добитися відсутності анодного струму. Записати покази вольтметра Uс. Потім, збільшуючи напругу на сітці через 0, 5-1 В, записати покази міліамперметра в анодному колі. Дані занести до таблиці.

Подати на керуючу сітку невеликий позитивний потенціал (наприклад 2 або 3В). Змінюючи анодну напругу через 5-10В, фіксувати покази міліамперметра в анодному колі. Дані занести до таблиці. Стежити, щоб анодний струм досяг максимуму.

Побудувати графіки Ia = f (Uа) та Ia = f (Uc) .

З графіків сіткових характеристик визначити за формулами (3), (4), (5), (6) параметри лампи.

 

 

1. Яка будова і принцип дії вакуумного діода та тріода?
2. Які основні параметри тріода?
3. У чому суть явища термоелектронної емісії?
4. Від чого залежить термоелектронний струм насичення?
5. Як формулюється закон трьох других? Поясніть його.