Лабораторный практикум по курсу ФИЗИКА раздел Электричество и магнетизм (С.П. Степина, Н.Б. Бутко - Лабораторный практикум по курсу Общая физика. Электричество и магнетизм (2012))

С.П. Карнилонич, В.И. Карика, С.П. Степина ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО КУРСУ «ФИЗИКА» Раздел «ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ» Для студентов, обучающихся по направлениям «Физика», «Химия» и специальности «Радиофизика и электроника» Москва Российский университет дружбы народов 2012 Утверждено РИС Ученого совета Российского университета дружбы народов Под редакцией ВД. Щепилова Карнилович, С.

П. Лабораторный практикум по курсу «Физика». Раздел «Электричество и магнетизм» l С. П. Карнилович, В. И. Каряка, С. П. Степина. — М.: РУДИ, 2012. — 42 с. Включены описания лабораторных работ общего физического практикума по разделу «Электричество и магнетизм», которые выполняют студенты направлений «Физика», «Химия» и специальности «Радиофизика и электроника» факультета физикоматематических и естественных наук. Представлены основы теории явления, экспериментально изучаемого студентами в условиях лаборатории «Электричество», обсуждаются постановка эксперимента, методика проведения измерений и обработки результатов, Приводятся контрольные вопросы для самостоятельной работы студентов.

Подготовлен на кафедре экспериментальной физики. Ю Карнилович С.П., Коряка В.И., Степина С.П., 2012 © Российский университет дружбы народов, Издательство, 2012 ЛАБОРАТОРНАЯРАБОТАб ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ ЛАМПЫ (ТРИОДА) Цель работы. Ознакомление с процессами, происходящими в электронной лампе, и изучение ее характеристик. Теории, Электронная лампа представляет собой вакуумный баллон (из стекла и железа), в котором помещено несколько изолированных друг от друга металлических проводников. Эти проводники называются электродами. Они имеют выводы наружу, к которым можно присоединить внешние источники ЭДС, не нарушая вакуум в баллоне.

На электроды можно подавать различные напряжения, создавая в пространстве между ними электрическое поле. Чтобы электрическое поле вызывало ток, в пространстве между электродами должны находиться свободные электрические заряды. Направленное движение этих зарядов и является током. Движущимися зарядами в лампе являются электроны. Для создания свободных электронов в лампе служит специальный электрод — катод. Катод испускает электроны путем термоэлектронной эмиссии. В чем состоит это явление? В проводнике (металле) имеются электроны проводимости, образующие электронный «газ» и участвующие в тепловом движении. Поскольку это движение хаотическое, некоторые электроны могут случайно выйти из металла в окружающее пространство.

Для выхода из металла электрон должен совершить работу против удерживающих его сил. Эта работа (А) называется работой выхода. Какие силы, удерживают электрон в металле? Во-первых, уходя из металла, электрон индуцирует на поверхности покидаемого проводника положительный заряд (его можно найти ло методу изобра>кений). Притяжение к этому заряду препятствует отрыву электрона от металла. Во-вторых, непосредственно над поверхностью металла существует тонкий слой электронов (электронная атмосфера), вьппедших туда за счет теплового движения и удерживаемых притя>кеиием положительно заряженных ионов (рис.1).

Рис.!. Двойной электрический слой на поверхности металла Электризация металлов трением связанна именно с удалением этих электронов (вспомните опыты в электростатике). Поверхностные электроны н ионы образуют двойной электрический слой, эквивалентный конденсатору (его положллтельной пластиной служит слой ионов металла, отрицательной — электронная атмосфера).

Этот двойной слой, как и обычный' конденсатор, не вызывает поля во впешнем пространстве, но на электрон, проходящий сквозь него, он действует с силой,.направленной внутрь металла, Полная работа выхода (А) зависит как от силы притялл<енлля к индуцированному заряду, так н от торможения внутри двойного слоя. Электрон может покинуть металл, если его кинетическая энергия будет больше работы выхода, Работа выхода для материалов обычно ' равна нескольким электрон-вольтам ( 1эВ =1,6 10 "эра =1,6 10 "((элс). Средняя кинетическая энергия хаотического движения любых объектов имеет порядок величины БТ, где й — постоянная Больцмана, Т вЂ” абсолютная температура.

При комнатной температуре (Т = 300' К) БТ = 0,2 эВ, т.е. кТ < А, и выход электронов маловероятен. Таким образом, для получения большого выхода электронов из катода надо увеличивать его температуру (Т) или уменьшать работу выхода (А). Поскольку электроны совершают работу выхода,за счет тепловой энергии„зто явленис называется термозлектронной эмиссией. Оно аналогично испарению жидкостей (работа выхода анавогвчна теплоте парообразования). Нагревание катода производится путем пропускания по нему тока за счет теплоты, выделяющейся согласно закону Джоуля-Ленца.

Б современных лампах для нагревания катода имеется специальная нить накала. Рабочая температура вольфрамового катода составляет 2200" С. Поскольку на нагревание катода бесполезно расходуется энергия, желательно добиться уменьшения его температуры, чтобы число выходящих электронов прн этом не уменьшалось, надо одновременно снижать работу выхода, Для этого поверхность катода подвсргают специальной обработке. Такой катод называется оксидированным. Бго температуру удается снизить до 800 — 900 С, сохранив при этом число эмитированных электронов. Применяя к электронам статистику Максвелла-Больцмапа, можно получить зависимость числа электронов (и), выходящих с единицы повсрхностн метапла в едншлцу времени, от температуры А Бг П) (формула Ричардсона).

Вывод этой формулы аналогичен выводу формулы Клапейрона-Клаузиса для давления насыщенного пара в молекулярно-кинетическон теории. Учитывая квантовый характер движения электрона, можно прийти к более правильной зависимости Л утз ьг ((а) полученной в квантовой теории металлов, Различие между этими законами невелико, так как экспонента, одинаковая для обеих формул, зависит от температуры сильнее, чем любав степень. Если все электроды лампы имеют одинаковый потенциал, электрическое поле в пространстве между ними равно нулю. При этом электроны, испускаемые катодом при его нагревании, образуют над его поверхностью «облако».

Это облако имеет отрицательный пространственный заряд, который тормозит дальнейший выход . электронов. Устанавливается .динамическое равновесие между выходящими электронами и возвращающимися обратно. Кроме катода, испускающего ' электроны, в лампе имеется второй электрод — анод.

Если он имеет положительный потенциал относительно катода, электроны из облака под действием возникшего поля, идут к аноду. Прн этом через лампу течет ток. Если потенциал анода отрицателен (по отношению к катоду), возникшее электрическое поле препятствует направленному движении> электронов к аноду. Прн этом ток не проходит. Говорят, что лампа «заперта». Таким образом, двухэлектродпая лампа — диод- обладает односторонней проводимостью (или, как часто говорят, вентильным свойством).

Зависимость тока диода .(>)от напряжения мехьду катодом н анодом ((>' ) имеет внд з ( = (>'„з (2) (закон Богуславского-Ленгмюра). Поскольку с увеличенном анодного напряжения (~У,) концентрация электронов в облаке пространственного заряда уменьшается (онн быстрее уходят на анод), тормозящее дейс:гвие пространственного заряда делается меньше, н анодный ток увеличивается. , Однако «закон 3/2» (2) не может быть справедлив при любых напряжениях ((>,).

Когда все электроны, испускаемые, катодом в единицу времени,, попадают на анод, ток достигает своего максимального значения и больше не возрастает. При этом он перес>нет зависеть ог анодного напряжения ((2 ) и называется током насыщения График зависимости >» от((, (рис,2) называется анодной характеристикой лампы. Рис.2. Анодная характеристика лампы (пример), ~,, — ток насыщения. Для управления током через лампу между анодом н катодом вводят еще один или несколько электродов. Эти электроды называются сетками, Лампа с одной сеткой имеет всего три элекгрода (катод, анод, сетка) и называется триодом. Триод изображается на схемах (рис.З). Рис.

3. Схема триода: 1 — катод, 2 — сетка, 3 — анод, НН вЂ” нить накала Сетка находится ближе к катоду, чем анод и в силу этого ее напряжение ~У ) сильнее влияет на пространственный, заряд электронного облака, чем анодное (у ). Большинство электронов ускоренных полем сетки, проходит сквозь ее отверстия на анод, Таким образом, изменяя потенциал на одном электроде — сетке, мы можем изменять ток в цепи другого электрода — анода. В этом состоит основное свойство триода. Если на сетке потенциал относительно катода, положителен, аиодный ток растет, так как уменьшается пространственный заряд.

Прн отрицательном потенциале сетки вводный ток уменьшается. График зависимости анодного тока (~ ) от напряхгения на сетке (Ц ) при постоянном напряжении на аноде (Ц„=солзГ) называется сеточной характеристикой лампы (рис. 4). Тангенс угла наклона сеточной характеристики к осн У называется крутизной характеристики Я (нндекс Ц показывает, что потенциал анода поддерживается постоянным), Рис. 4. Сеточная характеристика лампы (пример) Л~„ — = Я вЂ” крутизна. ЛУ„ Анодная характеристика лампы (см.

рнс. 2) соответствует условию У,, = сола~. Поскольку зависимость ~, от у нелинейна, сопротивление лампы приходится определять дифференциальным соотношением (обобщающий закон Ома) (4) (индекс Ц показывает„что потенциал сетки поддерживается постоянным ). гт',. называется внутренним сопротивлением триода.