ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.8.

СНЯТИЕ СЕТОЧНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРИОДА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕГО ПАРАМЕТРОВ

Фамилия И.О. _____________   Группа ______   Дата ______

Введение

В металле атомы диссоциированы на положительные ионы, находящиеся в узлах кристаллической решетки металла, и свободные электроны, совершающие тепловое хаотическое движение в межузлиях решетки. Однако между свободными электронами и положительными ионами кристаллической решетки имеется энергия связи. А, следовательно, эту энергию электрон должен преодолеть, чтобы иметь возможность выйти из металла наружу. То есть для выхода из металла свободный электрон должен совершить работу по преодолению энергии связи с металлом. Эта работа называется работой выхода А. Она зависит от химической природы металла и от состояния его поверхности: загрязнения, влаги и т.д. Для чистых металлов она колеблется в пределах нескольких электронвольт. Так как концентрация свободных электронов в металле высока (для Cu n0 = 8,5·1028 1/м3), то при данной температуре Т их тепловые скорости различны и по классическим представлениям подчиняются Максвелловскому закону распределения по скоростям. Следовательно, здесь есть быстрые электроны, обладающие большей, чем у других электронов, кинетической энергией.

Если эта энергия достаточна для совершения работы выхода из металла, то такие быстрые электроны могут покинуть металл. При комнатных температурах лишь ничтожная часть электронов имеет достаточную кинетическую энергию для совершения работы выхода. С повышением температуры металла число быстрых электронов возрастает, процесс становится заметным. Явление испускания электронов нагретым металлом называется термоэлектронной эмиссией.

Вылетевшие из металла электроны образуют вблизи него электронное облако, создающее поле, тормозящее вновь вылетающие электроны. В результате наступает динамическое равновесие: сколько электронов выходит из металла, столько же в него возвращается под действием поля электронного облака.

Если испущенные металлом электроны ускорить внешним электрическим полем, то ими образуется термоэлектронный ток. Такой ток может быть получен в вакууме, где нагреваемый металл в виде нити соединен с отрицательным полюсом батареи и называется катод, а к положительному полюсу батареи подсоединяется анод – электрод в виде пластины или диска. Такое устройство из двух разноименных электродов, помещенных в баллон, из которого выкачали воздух, называется двухэлектродной лампой или диодом. С ее помощью можно изучить зависимость силы тока в лампе IА от разности потенциалов (напряжения) между анодом и катодом UА. Эта зависимость не выражается законом Ома, а носит более сложный характер: сопротивление анода не остается постоянным, а зависит от напряжения между электродами UА и от температуры накала катода. Закон изменения тока IА с изменением напряжения UА при постоянной температуре накала катода Т выражается законом Богуславского-Ленгмюра (закон «трех вторых») IА = α·UА3/2, где α – коэффициент, зависящий от формы и расположения электродов. Графически это выглядит так:

Когда напряжение UА достигнет значения UА = UН, достигается ток насыщения IН: все электроны, испускаемые катодом в единицу времени при данной температуре полностью достигают анода. Дальнейшее увеличение UА к росту IА уже не ведет. Для увеличения тока насыщения нужно увеличить температуру катода.

В настоящей работе явление термоэлектронной эмиссии изучается с помощью электронной лампы с тремя электродами: анодом, катодом и сеткой. Такая лампа называется триодом.

Схема включения триода в цепь дана на рис. 2.

Рис. 2

Принцип действия триода такой: катод лампы (электрод, на который подается отрицательный потенциал) является подогревным, т.е. близко к нему подводится нить накала. Нагретый металлический катод испускает электроны, кинетическая энергия которых возрастает с ростом температуры накала катода и становится больше работы выхода электронов из металла; анод лампы имеет относительно катода положительный потенциал. Термоэлектроны устремляются к аноду, образуя так называемый анодный ток. Если потенциал сетки (третьего электрода) равен нулю, то величина анодного тока будет при постоянной температуре накала катода возрастать с увеличением разности потенциалов между анодом и катодом UА. По закону Богуславского-Ленгмюра

IА = С·UА3/2

В данной работе рассматривается роль сетки в триоде. Сетка помещается между катодом и анодом на пути движения электронов от катода к аноду и создает в прикатодной области дополнительное электрическое поле. При положительном потенциале на сетке анодный ток возрастает, т.к. сетка в этом случае будет облегчать движение электронов к аноду. Если на сетку подается отрицательный потенциал, то часть термоэлектронов будет возвращаться на катод и анодный ток уменьшается. И при определенном небольшом отрицательном напряжении на сетке анодный ток может совсем прерваться, при этом говорят, что лампа заперта. Таким образом, изменяя напряжение на сетке, можно управлять анодным током, изменяя его в сторону уменьшения или увеличения. Поэтому сетку называют управляющим электродом.

Электрическое поле вблизи катода зависит как от потенциала анода UА, так и от потенциала сетки UС. Однако, т.к. анод частично экранируется сеткой, влияние потенциала анода слабее, чем влияние потенциала сетки. Поэтому можно считать, что полный анодный ток IА определяется результирующим управляющим напряжением

Uу = Uс + DUа

где коэффициент D зависит от устройства лампы, но всегда D>1, и тем меньше, чем гуще сетка и чем ближе она к катоду.

Свойства триода вполне можно определить, рассматривая кривы зависимости анодного тока IА от напряжения на сетке. Эти кривые называются сеточными характеристиками триода. При снятии сеточных характеристик триода обычно поддерживают напряжение между анодом и катодом  UА постоянным, а определяют зависимость анодного тока IА от изменяющегося напряжения на сетке UС. Вид этих кривых показан на рис. 3.

Если лампа запирается при небольшом отрицательном напряжении на сетке, то большая часть кривой сеточной характеристики лежит справа от оси ординат и такая сеточная характеристика называется правой (рис. 3). Если же для того, чтобы достичь насыщения по анодному току IА, достаточно небольшого положительного напряжения на сетке UС, т.е. если большая часть сеточной характеристики триода лежит слева от оси ординат, то такая сеточная характеристика называется левой (рис. 4).


Работу триода можно полностью охарактеризовать параметрами, которые определяются из графиков сеточных характеристик триода, снятых при двух различных значениях анодного напряжения UА1 и UА2 > UА1.

Основные параметры триода

1.        Крутизна сеточной характеристики триода определяется отношением изменения анодного тока к соответствующему изменению сеточного напряжения при постоянном анодном напряжении

                                 при UА = const

2.        Внутренее споротивление триода определяется отношением изменения анодного напряжения к соответствующему изменению анодного тока при постоянном напряжении на сетке

                                при UС = const

3.        Статистическим коэффициентом усиления триода называется соотношение, показывающее, во сколько раз изменение анодного напряжения при постоянном сеточном напряжении должно быть больше изменения сеточного напряжения при постоянном анодном напряжении, чтобы обеспечить одинаковое изменение анодного тока ΔIА в цепи триода

                                 при ΔIА = const

Итак, между тремя параметрами триода – внутренним сопротивлением, крутизной сеточной характеристики и статическим коэффициентом усиления такая связь

Ri·S = μ

Порядок выполнения работы

1.                 Изучить установку, собранную согласно схеме (рис. 2).

2.                 Установить анодное напряжение UА1 и снять зависимость от напряжения на сетке UС.

3.                 Изменить анодное напряжение до UА2, также снять зависимость анодного тока от напряжения на сетке.

4.                 Построить два графика IА = f (UС) при UА1 и UА2 в одной и тойже координатной сетке. При этом получим две вольтамперные характеристики триода.

5.                 Посчитать основные параметры триода.

1.        Крутизна сеточной характеристики триода

Выбрать любое постоянное UА. Например, UА2=200 В. На прямолинейном участке снятой при этом значении анодного напряжения характеристики триода выбрать две точки А и Д. Определить изменение сеточного напряжения ΔUС=UСА–UСД и ему соответствующее изменение анодного тока ΔIА=IАА-IАД. Подставить результаты в формулу для определения S. Ответ выразить в А/В.

2.        Внутренее сопротивление триода

 

Выбрать любое постоянное значение UС и определить соответствующее изменение тока (точки А и В): ΔIА=IАА-IАД. Этому изменению тока соответствует изменение анодного напряжения ΔUС=UСА–UСД. Подставим результаты в формулу для определения Ri. Ответ выразить в Омах.

3.        Определим статический коэффициент усиления:

 Графически это можно представить так:

 


Пусть при UС2=const изменяется анодоное напряжение на ΔUА от  UА1 до UА2, что вызвает изменение анодного тока на ΔIА. Такое же изменение анодного тока ΔIА можно получить, если при UА2=const изменить сеточное напряжение на ΔUС от UС1 до UС2. Следовательно, коэффициент усиления μ можно определить, если провести прямую ДС и определить UС2-UС1=ΔUС и соответствующее этому же изменению тока ΔIА изменение анодного напряжения ΔUА= UА1-UА2. Подставив в формулу, определим μ.

6.        Проверить результаты можно, подставив в формулу полученные результаты

Ri·S = μ

 

Контрольные вопросы

1.        Какое физическое явление называется термоэлектронной эмиссией?

2.        Что такое работа выхода, от каких параметров она зависит?

3.        В чем заключается принцип действия диода?

4.        Запишите закон Богуславского-Ленгмюра и объясните его. Нарисуйте вольтамперную характеристику диода и укажите ток насыщения.

5.        Как зависит величина тока насыщения от температуры накала диода?

6.        Что такое триод? Схема его включения в электрическую цепь.

7.        Что такое сеточные характеристики триода?

8.        Что называется крутизной сеточной характеристики триода, по какой формуле и как производится расчет?

9.        Что называется статическим коэффициентом усиления триода, по какой формуле и как производится расчет?

10.     По какой формуле и как рассчитывается внутреннее сопротивление лампы?

11.     Какую роль играет сетка в работе триода?

12.     С какой целью производится оксидирование и торирование катода?