Теоретическое введение
Двухэлектродная лампа (диод) представляет собой вакуумную лампу (давление в ней примерно 10-7 мм Нд) с двумя электродами, выполняющими совершенно различные функции – анодом А и катодом К (рис. 5-1). Анодом служит полый металлический цилиндр. Катод – источник электронов, представляет собой тонкую металлическую трубку, находящуюся внутри анода. Катод разогревается нитью накала, расположенной внутри трубки. Нить накала и катод электрически изолированы друг от друга. Концы нити накала, катода и анода, включаются в цепь с помощью медных ножек, выведенных через цоколь.
Сущность происходящих в диоде физических процессов состоит в следующем. При нагревании током нити накала, разогретый катод испускает электроны; наиболее быстрые электроны получают энергию, достаточную для преодоления сил, удерживающих их в металле, и образуют в лампе электронное облако, препятствующее дальнейшему вылету электронов. Если анод и катод соединить вне лампы проводником, то часть электронов, оседающих на аноде, вызовет слабый ток во внешней цепи. Ток, идущий в этой цепи, называется анодным током Ia .
Если же сообщить аноду некоторое положительное напряжение, то к нему стремится большое количество электронов; ток во внешней цепи усилится. Если продолжать увеличивать напряжение на аноде, то ток будет расти, но лишь до определенного предела, пока не окажется, что все, вытекающие из катода электроны, попадают на анод. Этот наибольший ток называется током насыщения Iнас.
Анодный ток Ia при постоянной температуре нити накала (Iн= const) зависит от напряжения Ua, приложенного между анодом и катодом:
,
|
При постоянном напряжении между анодом и катодом (Ua = const) анодный ток насыщения зависит от температуры накала нити катода.
При изучении двухэлектродной лампы снимается зависимость анодного тока Ia лампы от приложенного между анодом и катодом напряжения Ua, называемая вольтамперной характеристикой двухэлектродной лампы. Такая характеристика показана на рис 2. Зависимость анодного тока от напряжения между анодом и катодом при постоянной температуре накала катода для участка кривой ОА может быть представлена функцией:
где с - коэффициент пропорциональности, зависящий от размеров и формы анода.
Это уравнение выведено Богуславским и Ленгмюром и часто называется «законом трех вторых».
Физические свойства и область применения двухэлектродной лампы определяются ее параметрами.
Основными параметрами двухэлектродной лампы являются:
а) внутреннее сопротивление лампы;
б) крутизна анодной характеристики.
Внутреннее сопротивление лампы не сохраняется постоянным, как следует из функции зависимости анодного тока Ia от напряжения Ua. Для малых участков крутоподнимающейся характеристики лампы (см. из графика), можно найти среднее значение внутреннего сопротивления Ri. Оно равно:
Ri = 
Внутреннее сопротивление представляет собой отношение приращения анодного напряжения к приращению анодного тока, при условии постоянства напряжения накала.
Внутреннее сопротивление лампы измеряется в омах.
Величина, обратная внутреннему сопротивлению, называется крутизной анодной характеристики S. Крутизна анодной характеристики S показывает, насколько изменяется анодный ток лампы при изменении напряжения на аноде на I вольт.
S= 
, S= 
Крутизна анодной характеристики измеряется в миллиамперах на вольт (мА/В).
Порядок проведения работы
Упражнение1. Снятие вольтамперной характеристики двухэлектродной электронной лампы.
1. Ознакомившись с приборами и принадлежностями и приготовив таблицу записи наблюдений, собирают приборы по схеме рис.3.
 |
Схема для снятия вольтамперной характеристики диода состоит из двух самостоятельных цепей: цепи накала и цепи анода. Цепь накала (клеммы М и Н) служит для разогрева катода, состоит из последовательно соединенных с источником переменного напряжения (6,3 вольта) нити накала и ключа. Цепь анодного тока питается от источника постоянного напряжения через высокоомный потенциометр. Потенциометр присоединяется к источнику напряжения через ключ. Снимаемое при помощи движка потенциометра напряжение подводится на анод А. Для измерения подаваемого на лампу напряжения в цепь включается вольтметр, а для измерения величины анодного тока включается миллиамперметр.
Начиная опыт, поставить:
а) потенциометр на нуль напряжения;
б) предел измерения вольтметра на 300 вольт;
в) предел измерения миллиамперметра на 10 мА.
Для вольтметра и миллиамперметра рассчитать цену деления
2. Движком потенциометра Rn устанавливают напряжение между анодом и катодом 20 вольт. Одновременно записывают величину анодного тока в лампе (в миллиамперах).
3. Продолжая увеличивать напряжение на аноде через каждые 20 вольт, записывают величину анодного тока в лампе для каждого значения установленного напряжения. Таким образом снимается вольтамперная характеристика двухэлектродной лампы.
4. После этого идут в обратном направлении, уменьшая напряжение через каждые 20 вольт и записывая величину анодного тока. Из двух значений (I 
и I 
) анодного тока, соответствующих одному и тому же напряжению, находят среднее значение анодного тока. Данные заносят в таблицу записи наблюдений.
Таблица записи наблюдений
| Ua, в | I , mA
| I , mA
|  , mA
|
5. Результаты измерения представить в виде графика, выражающего зависимость анодного тока в лампе от анодного напряжения. По оси абсцисс откладывают Ua в вольтах, по оси ординат Ia в миллиамперах. По кривой находят величину анодного тока насыщения (при условии, что это выполнимо) и потенциала насыщения. Потенциал насыщения – это такой потенциал, начиная с которого анодный ток в лампе делается током насыщения.
Упражнение 2. Определение основных параметров двухэлектродной лампы.
Определить из графика вольтамперной характеристики диода:
а) внутреннее сопротивление лампы Ri:
б) крутизну анодной характеристики S для средней части анодной характеристики, где она приближается к прямой.
Для этого на кривой графика выбирают прямолинейную часть и строят прямоугольный треугольник АВС (рис 5-4), находят приращение анодного напряжения 
Ua (прямая АС) и приращение анодного тока Ia (прямая ВС).
 |
Контрольные вопросы
1. Устройство и принцип работы вакуумного диода.
2. Явление термоэлектронной эмиссии.
3. От чего зависит величина анодного тока в лампе?
4. Как объяснить наличие тока насыщения?
5. Зависимость тока насыщения от температуры катода?
6. Параметры двухэлектродной лампы? Какой физический смысл этих параметров?
7. Работа диода в качестве выпрямителя.