Janusz Mąka

I TD

ĆWICZENIE NR 25

Temat: Pomiar prędkości wyjściowej elektronów metodą napięcia hamującego

1. Zagadnienia do samodzielnego opracowania

1. Ruch ładunku w polu elektrycznym.

2. Emisja elektronów z metalu, praca wyjścia.

3. Lampy elektronowe.

II. Opis teoretyczny

Dioda jest najprostszym typem lampy elektronowej. Składa się z dwu elektrod: anody i katody, umieszczonych w próżni, w bańce szklanej. Na katodzie zachodzi zjawisko termoemisji elektronów. Emisja elektronów z powierzchni metalu jest możliwa, gdy elektron posiada energię większą lub równą pracy wyjścia dla danego metalu.

Praca wyjścia jest to minimalna praca konieczna do wyprowadzenia elektronu z ciała stałego (metalu) do otaczającej próżni. Swobodne elektrony tworzące w gaz elektronowy w metalach i półprzewodnikach, mogą bez przeszkód przemieszczać się wewnątrz kryształu, lecz nie mogą wydostać się na zewnątrz, ze względu na siły przyciągania działające pomiędzy ujemnie naładowanym gazem elektronowym, a ładunkiem dodatnim atomów sieci krystalicznej. Przy podgrzewaniu danego ciała rośnie energia drgań atomów sieci krystalicznej i w wyniku zderzeń elektrony mogą uzyskać wystarczającą energię, do pokonania bariery potencjału i wydostać na zewnątrz.

Ogrzewając katodę lampy bez włączania pola elektrycznego pomiędzy katodą i anodą, powodujemy, że w otoczeniu żarzącego się drucika tworzy się ładunek przestrzenny, w postaci chmury elektronowej. Charakteryzuje się on pewnym stanem równowagi, w którym emitowane elektrony z katody, wchodzą do chmury elektronowej ale część z nich wraca z powrotem do katody.

Przyłożone pomiędzy anodą i katodą napięcie wytwarza między nimi pole elektryczne, w którym poruszają się elektrony emitowane przez katodę, tworząc prąd anodowy I_a. Ponieważ źródłem elektronów jest katoda, w diodzie mamy jednokierunkowy przepływ prądu.

Wraz ze wzrostem napięcia anodowego rośnie prąd anodowy, ale do pewnej granicy. Maksymalną wartość prądu anodowego nazywamy prądem nasycenia. Mamy z nim do czynienia wtedy, gdy wszystkie elektrony emitowane z katody są w tym samym czasie ściągane do anody. Gęstość prądu nasycenia dla określonego metalu możemy obliczyć ze wzoru Richardsona-Dushmana:

gdzie: A - stała =120,4 [A/(m²⋅K²)], T - temperatura [K], W_W - praca wyjścia [J], k - stała Boltzmanna = 1,38×10^-23 J/K.

Równanie prądu anodowego można zapisać w postaci:

Współczynnik C jest stały dla danej lampy przy ustalonej temperaturze katody. Podana zależność nosi nazwę prawa trzech drugich (Langmuira).

Zakres prądu nasycenia może być osiągnięty tylko w lampach z katodami jednorodnymi. Przy katodach niejednorodnych, ze względu na dużą zdolność emisyjną katody, nasycenie prądu anodowego wypada dla bardzo dużych napięć anodowych, niedopuszczalnych dla lampy ze względu na moc emisyjną anody (maksymalna moc wydzielana na anodzie lampy).

Zależność prądu anodowego I_a od napięcia anodowego U_a przy ustalonym natężeniu prądu żarzenia I_ż nosi nazwę charakterystyki diody:

Zależność prądu anodowego od natężenia prądu żarzenia nazywa się charakterystyką żarzenia (napięcie anodowe jest stałe).

Wielkości charakteryzujące własności i zastosowanie diody nazywa się parametrami. Zaliczamy do nich: napięcie żarzenia, prąd żarzenia, prąd emisyjny katody, nachylenie charakterystyki S_a , rezystancję (oporność) wewnętrzną R_i , moc admisyjną P_a , maksymalną amplitudę impulsu prądu anodowego I_max oraz pojemność anoda-katoda C_ak.

Nachylenie charakterystyki S_a wskazuje jak zmienia się prąd anodowy przy zmianie napięcia anodowego o 1 V. Jeżeli zmiana napięcia anodowego o wartości ΔU_a = U_a2 - U_a1 wywołuje zmianę prądu anodowego o wartości ΔI_a = I_a2 - I_a1 , to nachylenie charakterystyki wynosi:

Diody lampowe ze względu na zastosowanie można podzielić na:

1. Diody detekcyjne stosowane do prostowania prądów wielkiej częstości. Charakteryzuje je mała oporność wewnętrzna i mała pojemność anoda-katoda. Częstotliwość graniczna, przy której moc użyteczna spada do 80 jest rzędu 50-300 MHz.

1. Diody prostownicze niskonapięciowe małej mocy. Służą do prostowania prądów częstotliwości przemysłowej, napięcia prostowania wynoszą kilkaset woltów, prądy obciążenia dochodzą do kilkuset miliamperów. Diody te mają katody tlenkowe, żarzone pośrednio lub bezpośrednio.

1. Diody prostownicze wysokonapięciowe małej mocy. Stosowane są do zasilania urządzeń wymagających napięć stałych, rzędu 1-20 kV (np. oscylografów).

1. Diody prostownicze bardzo wysokiego napięcia. Mają zastosowanie w zasilaczach dostarczających napięcia stałego rzędu kilkuset kV i prądów od kilku do kilkudziesięciu miliamperów.

Zjawisko emisji termoelektronowej polega na wysyłaniu elektronów przez

nagrzane metale. Przestrzeń zajęta przez metal wypełniona jest siecią dodatnich jonów,

między którymi znajdują się elektrony poruszające się swobodnie wewnątrz metalu jak

cząsteczki gazu o energii kinetycznej Ekin . Elektron przewodzenia może opuścić dany

metal jedynie wówczas, gdy jego energia przewyższa pracę wyjścia elektronu z metalu.

Doświadczenia wykazały, Ŝe temperaturze kilkuset stopni skali bezwzględnej zjawisko

termoemisji staje się bardzo intensywne. Liczba termoelektronów zwiększa się i to

bardzo szybko wraz ze wzrostem temperatury.

Na wykresie zależności natężenia prądu anody od napięcia, czyli tzw.

charakterystyki diody wyróżniamy trzy odcinki zwane zakresami: zakres prądu

początkowego, zakres ładunku przestrzennego i zakres prądu nasycenia.

Zakres prądu początkowego obejmuje część krzywej od punktu styczności

z ujemną osią Ua (punkt E) do punktu A, któremu odpowiada napięcie bliskie Ua = 0 .

W tym obszarze stosuje się ujemne napięcia anody. Przy niewielkich napięciach

anodowych natężenie prądu I a początkowo powoli rośnie wraz ze wzrostem napięcia.

Tłumaczy się to tym, że przy małych wartościach Ua nie wszystkie termoelektrony

docierają do anody. W miarę wzrostu Ua coraz więcej elektronów dociera do anody

i wzrasta natężenie prądu anodowego do pewnego maksimum, nazwanego prądem

nasycenia Inas . Napięcie anodowe, po przekroczeniu, którego otrzymujemy prąd

nasycenia, nazywamy napięciem nasycenia Unas . Prąd nasycenia jest osiągnięty

wówczas, gdy do anody dobiegają wszystkie elektrony emitowane przez katodę.

III. Plan wykonania ćwiczenia

1. Połączyć obwód według schematu

2. Po sprawdzeniu przez prowadzącego poprawności połączeń zaczynając od Ua = 0

zbadać przebieg zależności prądu anodowego I a od -Ua (ujemne napięcie anoda

- katoda).

3. Zbadać przebieg zależności I a od Ua dla Ua nie przekraczających + 6V (dodatnie

napięcie anoda - katoda).

4. Sporządzić charakterystykę Ia = f (Ua ) korzystając z pomiarów wykonanych

w punktach 2 i 3.

5. Wykreślić zależność lnIa od Ua dla całego przedziału zmian napięcia. Na tym

wykresie nanieść linię 3 ( lnInas ) oraz asymptotę krzywej doświadczalnej.

Inas dla badanej lampy przyjąć 160 mA.

6. Temperaturę katody wyznaczamy z nachylenia krzywej 2

7. Wartość napięcia kontaktowego Uk obliczamy z równania 5 lub z wykresu jako

wartość odciętej Ua punktu przecięcia prostej 2 z prostą odpowiadającą rzędnej

Ia = Inas .

8. Prędkość wyjściową najszybszych elektronów wyliczamy z równania (9). Potencjał

hamujący jest równy odciętej punktu przecięcia krzywej 1 z osią Ua . Należy

odróżnić napięcie hamujące Uh od tzw. napięcia blokującego Ub (rys. 2).

IV. Wykresy:

I [mA]	U [V]	ln I [mA]
0	-0,34	-3,54046
0,03	-0,24	-3,50656
0,04	-0,2	-3,21888
0,05	-0,19	-2,99573
0,11	-0,13	-2,20727
0,17	-0,09	-1,77196
0,24	-0,06	-1,42712
0,31	-0,03	-1,17118
0,4	0	-0,91629
0,55	0,04	-0,59784
0,82	0,1	-0,19845
1,97	0,3	0,678034
3,28	0,5	1,187843
4,72	0,7	1,551809
6,32	0,9	1,843719
7,97	1,1	2,075684
9,8	1,3	2,282382
11,61	1,5	2,451867
13,61	1,7	2,610805
16,72	2	2,816606
19,33	2,25	2,961658
21,8	2,5	3,08191
24,7	2,75	3,206803
27,6	3	3,317816
30,3	3,25	3,411148
33,3	3,5	3,505557
36,4	3,75	3,594569
39,4	4	3,673766
42,5	4,25	3,749504
45,8	4,5	3,824284
48,9	4,75	3,889777
52,3	5	3,956996
55,7	5,25	4,01998
59,3	5,5	4,082609
62,8	5,75	4,139955
66,5	6	4,197202
160	-	5,075174

V. Tabela pomiarowa

VI.Obliczenia:

Uh= 1 [V]

°C

6

---