Методика вимірів і обробки результатів

1. Ознайомитися з описом приладів, що використовуються.

2. Увімкнути схему. Встановити величину змінного струму розжарювання в межах робочої області (не більше 1,5 А). Подати невелику анодну напругу і переконатися у наявності анодного струму.

3. У режимі, далекому від насичення, провести балансування моста катод-потенціометр . Для цього розімкнути ключ K₁ і за допомогою потенціометра добитися мінімуму змінної складової анодного струму, який протікає через опір . Сигнал спаду напруги на подається на реєструючий прилад (осцилограф або вольтметр). Цю процедуру треба проводити при кожному значенні струму розжарювання

4. Після балансування схеми замкнути ключ K₁. За допомогою ключа K₂ перевести лампу в режим розжарювання катоду високостабілізованим постійним струмом. Після цього приступати до вимірювання ВАХ діода при різних температурах катоду, які визначаються струмом розжарювання.

Розрахунок температури катоду для даного струму розжарювання може бути проведений шляхом розгляду умови теплової рівноваги катоду. Теплова потужність, яка виділяється на катоді, майже вся витрачається на теплове випромінювання. Деяка кількість тепла втрачається за рахунок теплопровідності через виводи катоду. Але при високих температурах частка цих втрат мала. Втрати тепла за рахунок теплопровідності залишкових газів у лампі практично відсутні (високий вакуум). Тому рівняння теплового балансу для катоду буде мати наступний вигляд:

, (18)

де – потужність, яка випромінюється за 1с з 1 м² поверхні катоду; – струм розжарювання; – опір катоду; – довжина катоду; – питомий опір катоду при заданій температурі .

З (18) випливає, що температурі катоду буде відповідати струм розжарювання

, (19)

де .

Вимірюючи потужність, що випромінюється, і знаючи залежність від температури, можна визначити температуру катоду в залежності від струму розжарювання.

Для вольфраму експериментально визначена залежність температури катоду від потужності розжарювання, яка припадає на одиницю площі поверхні катоду, оскільки втрати на випромінювання пропорційні цій площі. Ці результати наведені в таблиці 1.

Таблиця 1. Залежність температури катоду радіуса 1 см від струму розжарювання

	500	700	1000	1100	1200
	47,62	108,2	244,1	301,0	363,4
	1300	1400	1500	1600	1700
	430,9	503,5	580,6	662,2	747,3
	1800	1900	2000	2100	2200
	836,0	927,4	1022	1119	1217
	2300	2400	2500	2600	2700
	1319	1422	1526	1632	1741
	2800	2900	3000	3100	3200
	1849	1961	2072	2187	2301

У ній для спрощення розрахунків наведені значення , віднесені до нитки діаметром =1 см, в залежності від температури. Таблицею треба користуватися наступним чином. Нехай струм розжарювання катоду =1,5 А, діаметр катоду =0,01 см. Тоді відповідне значення =1,510³ А. З таблиці знаходимо, що температура катоду при заданому значенні знаходиться в інтервали 2400-2500 К. Вважаючи, що в цьому (вузькому) інтервалі температур лінійно залежить від , за допомогою інтерполяції розраховуємо точне значення T=2475 K. Аналогічно розраховують температури катоду для інших значень струмів розжарювання.

5. З вольт-амперних характеристик, знятих при різних температурах катоду (не менше трьох значень), вибирається область, де анодний струм зростає з ростом анодної напруги (де справедливий закон “трьох других”), і будується залежність , де

. (20)

Визначивши , можна отримати питомий заряд електрона . Обробку залежності і визначення похибок вимірів провести за методом найменших квадратів.

6. Для визначення роботи виходу електронів з катоду зняти ВАХ діоду в області насичення, змінюючи анодну напругу до ~100 В при різних струмах розжарення (8-10 значень). При цьому необхідно виключити вплив ефекту Шотткі. З цією метою визначається струм насичення при „нульовій” анодній напрузі для даної температури катоду. Для кожної з 8-10 наявних ВАХ будується графік в напівлогарифмічному масштабі рівняння (15)

,

де , або

. (21)

Екстраполюючи лінійні залежності до , отримаємо значення струму насичення при „нульовій” анодній напрузі для даних температур катоду (8-10 значень). Екстраполяцію залежностей провести за методом найменших квадратів.

Таким чином, вдається визначити , який згідно (21)

. (22)

Далі процедура знаходження роботи виходу електрона зводиться до побудови в напівлогарифмічному масштабі залежностей , яка згідно (22) має вигляд

. (23)

Тут виражено в амперах, – в Кельвінах. Кутовий коефіцієнт прямої на графіку залежності дає величину роботи виходу електронів, а екстраполяція прямої до дає значення і, відповідно, .

Цей метод визначення роботи виходу електронів називається методом прямих Річардсона.

Обробку результатів провести за методом найменших квадратів.

7. Провести чисельну оцінку зменшення роботи виходу електрона за рахунок ефекту Шотткі при , підставивши в формулу (15) .

Контрольні запитання і завдання

1. Дайте якісне пояснення вольт-амперних характеристик вакуумного діода.

2. Який вплив просторового заряду на розподіл потенціалу між катодом і анодом?

3. У чому полягають основні наближення при виведенні закону „трьох других”?

4. Поясніть фізичний зміст граничних умов при виведенні закону „трьох других”.

5. Що таке робота виходу електрона? Який порядок цієї величини для чистих металів?

6. Виведіть закон термоелектронної емісії Річардсона-Дешмана.

7. Зобразивши потенціальний рельєф, поясніть ефект Шотткі.

8. Навіщо в лампі передбачені охоронні кільця?

9. Яка роль потенціометра ?

10. Навіщо в схемі використовується варіант зі стабілізованим джерелом струму розжарювання?

11. Поясніть отримані результати, розрахунки та графіки.