Лабораторная работа по дисциплине «Физика» для СПбГАСУ

Изучение работы электронной лампы Введение Электронная лампа представляет собой важнейшую часть некоторых радиотехнических приборов и аппаратов. Ее действие основано на явлении термоэлектронной эмиссии, сущность которого заключается в следующем. При нагревании металла увеличивается кинетическая энергия свободных электронов в нем. Те электроны, энергия которых окажется достаточной для преодоления работы выхода, вылетают из металла. (Эта работа совершается электронами против сил притяжения со стороны избыточного положительного заряда, возникающего в металле в результате их вылета. Работа выхода зависит от химической природы металла и состояния его поверхности.) С повышением температуры число вылетающих электронов увеличивается. Это явление в общих чертах аналогично процессу испарения молекул из нагреваемой жидкости. Электроны, «испарившиеся» из раскаленного проводника, образуют вокруг него отрицательно заряженное «электронное облако» (объемный заряд), препятствующее вылету других электронов. Если вокруг проводника возбудить электрическое поле такого направления, что вылетевшие электроны получат возможность двигаться от проводника, то они создадут электрический ток, что и лежит в основе работы электронной лампы. Простейшая электронная лампа представляет собой откачанный до высокого вакуума (порядка 10^–9 мм рт. ст.) стеклянный или металлический баллон. Внутри него помещается цилиндрической или иной формы проводник – анод, по оси которого располагается вольфрамовая нить, испускающая электроны при нагревании ее электрическим током – катод. Анод присоединяется к положительному полюсу батареи, катод – к отрицательному. Накал создается специальной батареей Б_н. Условное изображение такой двухэлектродной лампы – диода приведено на рис.32.1. При возникновении разности потенциалов между анодом и катодом электроны, вылетевшие из катода, создают ток, этот ток называется анодным током. Зависимость его от разности потенциалов между анодом и катодом при постоянной температуре нити накала изображена на рис.32.2. Из графика видно, что с увеличением анодного напряжения  U_А анодный ток I_А возрастает и при некоторой разности потенциалов U_Н достигает максимального значения и дальше от U_A не зависит, Этот «ток насыщения» I_н соответствует случаю, когда все электроны, вылетевшие из катода, попадают на анод. Величина этого тока зависит лишь от температуры нити накала и работы выхода электронов из катода.

Рис.32.1

Рис.32.2

Электронные лампы более сложного типа содержат, кроме катода и анода, третий электрод – сетку, которая располагается между катодом и анодом и обычно имеет вид проволочной спирали, охватывающей катод (рис.32.3). Ее назначение – регулировать поток электронов, летящих от катода к аноду.

Рис.32.3

Если между сеткой и катодом включить источник ЭДС так, чтобы сетка была положительной по отношению к катоду, электроны из облака объемного заряда вокруг катода будут притягиваться сеткой. При этом значительная часть электронов пролетает между витками сетки и попадает на анод, усиливая анодный ток.

Напротив, если подать на сетку отрицательный потенциал по отношению к катоду, то при увеличении сеточного напряжения Uс по абсолютному значению анодный ток будет падать, пока при некотором отрицательном потенциале на секте лампа не окажется запертой, то есть ток в анодной цепи не обратится в нуль. Это происходит потому, что отрицательно заряженная сетка своим полем отбрасывает назад электроны, не пропуская их к аноду. Так как сетка расположена гораздо ближе к катоду, чем анод, то уже малые изменения разности потенциалов между ней и катодом сильно влияют на величину анодного тока. В обычных радиолампах изменение сеточного напряжения на 1 вольт меняет анодный ток на несколько миллиампер. Для того чтобы достичь такого же изменения тока путем изменения анодного напряжения, последнее нужно было бы изменить на несколько десятков вольт. Следовательно, можно управлять током в анодной цепи лампы, изменяя разность потенциалов между ее катодом и сеткой. Это позволяет использовать такую трехэлектродную лампу – триод в качестве усилителя напряжений и токов. Таким образом, анодный ток триода при постоянной температуре катода является функцией двух переменных – потенциала анода и потенциала сетки: I_A = f(U_A, U_c) Для исследования работы лампы удобно рассматривать зависимость величины ее анодного тока от потенциала анода при постоянном напряжении на сетке I_A = f₁(U_A)_{Uc = const} и зависимость величины анодного тока от потенциала сетки при постоянном напряжении на аноде. I_A = f₂(U_c)U_{A = const} Эти зависимости дают два семейства характеристик – анодных и сеточных (рис.32.4 а, б). По этим графикам определяются основные параметры, характеризующие работу триода: внутреннее сопротивление R_i, коэффициент усиления и крутизна сеточной характеристики S.

Рис.32.4

1) Внутреннее сопротивление лампы (32.1) определяется как отношение изменения анодного напряжения к вызванному им изменению анодного

тока при постоянном напряжении на сетке. Из рис.32.4 видно, что вольтамперные характеристики триода носят нелинейный характер. То есть для расчета сопротивления лампы по току и напряжению нельзя пользоваться законом Ома. Однако достаточно малый отрезок характеристики можно считать отрезком прямой линии и говорить о сопротивлении при данном значении напряжения (или тока). В пределе внутреннее сопротивление триода определится котангенсом угла наклона касательной к его характеристике в некоторой точке В (рис.32.5), то есть R представляет собой дифференциальное сопротивление лампы (см. о геометрическом смысле производной в курсе математики). Из рис.32.5 видно, что величина R_i будет различной для разных точек кривой, то есть будет зависеть от величины анодного напряжения.

Рис.32.5.

2) Коэффициент усиления лампы (32.2) показывает, во сколько раз изменение потенциала на сетке сильнее сказывается на анодном токе, чем аналогичные изменения потенциала на аноде. Эти изменения (UA и Uc) подобраны так, что анодный ток не меняется, а это возможно  лишь при условии, что UА и Uс будут

разных знаков: если U_A > 0, то U_с < 0. Отсюда и знак «‑», хотя сам коэффициент усиления по своему смыслу – величина положительная. Из экспериментальных данных  определяется следующим образом. На наиболее крутом и прямолинейном участке сеточных характеристик (рис.32.4, б) выбирается точка, через которую проводится горизонтальная прямая I_A = const. Отрезок этой прямой между двумя смежными сеточными характеристиками (m n) даст значение U_с. Разность анодных напряжений, при которых были получены эти две сеточные характеристики, даст U_A. Полученные таким образом величины и входят в формулу (32.2) для расчета коэффициента усиления лампы. 3) Крутизна сеточной характеристики лампы (32.3) представляет собой отношение приращения анодного тока к приращению напряжения на сетке, которое его вызвало, при постоянном напряжении на аноде. То есть S показывает, во сколько раз изменится I_А при изменении U_с на 1 вольт. Чем больше крутизна сеточной характеристики, тем лучше усилительные свойства лампы. Для определения S через точку n (см. рис.32.4, б) перпендикулярной прямой I_A = const проводится прямая U_c = const. При пересечении ими сеточных характеристик образуется прямоугольный треугольник mkn. Проекции катетов этого треугольника на оси координат дадут значения I_А и U_с, используемые в формуле (32.3). Электрическая схема измерительного блока представлена на рис.32.6. Рис.32.6. Электрическая схема для снятия характеристик триода Обозначения: Б_с – батарея сетки; R_с – реостат, включенный как делитель напряжения для изменения сеточного напряжения; V_c – вольтметр для измерения сеточного напряжения; П – переключатель, позволяющий подавать на сетку положительный или отрицательный потенциал; mA и V_a – миллиамперметр и вольтметр в цепи анода; R_а – реостат, включенный как делитель напряжения, для измерения U_a; Б_а – анодная батарея. Цепь накала лампы питается от вторичной обмотки понижающего трансформатора (U_н = 6 в).

Порядок выполнения работы

1. I. Снятие анодных характеристик

1) Включить тумблеры накала лампы, анода и сетки. 2) Поставить переключатель «П» в положение «–», подав таким образом отрицательный потенциал на сетку. 3) Установить потенциометром «R_с» сеточное напряжение «», значение которого указано на лабораторном столе или рекомендовано преподавателем. 4) Вращая ручку потенциометра «R_A», постепенно увеличивать анодное напряжение от 0 до 100 В (через 10 В), поддерживая постоянным «». Отмечать величину анодного тока «I_A» для каждого значения «U_A». Данные вносить в таблицу 1. 5). Установить на сетке другое напряжение «U_c» и повторить пункт 4. Переключатель «П» остается в положении «–».  

1. II. Снятие сеточных характеристик

1). Потенциометром «R_A» установить анодное напряжение «», значение которого указано на лабораторном столе. 2). Переключатель «П» оставить в положении «–». 3). Увеличивая потенциометром «R_c» отрицательный потенциал сетки, добиться равенства нулю анодного тока, то есть «запереть» лампу. 4) Уменьшая величину сеточного потенциала через 0,5 В, записывать в таблицу 2 соответствующие значения анодного тока. Примечание. При изменении «U_c» будет изменяться и «U_A». Поэтому, прежде чем брать отсчеты по приборам, необходимо каждый раз снова устанавливать заданное значение «U_A». 5). Доведя напряжение на сетке до нуля, переключателем «|П» подать на сетку «+». 6) Увеличивая величину сеточного потенциала через 0,5 В, записывать значения анодного тока в таблицу 2. Получить таким образом 10–12 точек для построения сеточной характеристики при =const. 7). Установить новое анодное напряжение «» и произвести аналогичные измерения (пункты 2 – 6). Закончив измерения, выключить установку. Результаты работы представить в виде графиков анодных и сеточных характеристик, выполненных на миллиметровой бумаге. Кроме этого, по полученным характеристикам рассчитать основные параметры лампы:     Таблица32.1

U =		U =
UA, В	IA, мА	UA, В	IA, мА

  Таблица 32.2

U		U
Uc, В	IA, мА	Uc, В	IA мА

 

8. Написать выводы по работе, оценивая полученные экспериментально анодные и сеточные характеристики триода.

  Литература   Трофимова Т.И. Курс физики. Учебное пособие для вузов. М.: Издательский центр «Академия». – 2004.