Теоретическое введение. Вакуум - состояние газа при давлениях ниже атмосферного, при котором свойства газа зависят от соотношения длины свободного пробега молекул и линейных размеров

Вакуум - состояние газа при давлениях ниже атмосферного, при котором свойства газа зависят от соотношения длины свободного пробега молекул и линейных размеров сосуда, в котором заключен газ.

Различают: высокий вакуум, при котором длина свободного пробега молекул велика по сравнению с размерами сосуда, средний вакуум – длина свободного пробега и размеры сосуда сравнимы по величине, низкий - длина свободного пробега мала по сравнению с размерами сосуда.

Количественной мерой вакуума является величина давления газа. К высокому вакууму в реальных системах размером ~ 0,1 м относят область давления ниже 10^{-3 мм рт.ст; к среднему - от 10-3} до 1 мм рт.ст; к низкому от 1 до 760 мм рт.ст. Существует понятие "сверхвысокого вакуума" для обозначения состояния, при котором твердая поверхность, соприкасающаяся с газом, сохраняет чистоту в течение продолжительного времени. Это область давлений ниже 10^{-8 мм} рт.ст.

Термоэлектронная эмиссия - испускание электронов нагретыми твердыми (реже жидкими) телами, происходящее в результате теплового возбуждения электронов в этих телах.

У металлов концентрация свободных электронов весьма велика. Электрон проводимости может вылететь из металла, если его энергия превышает работу выхода. Чем выше температура металла, тем интенсивнее эмиссия.

Суммарный заряд электронов, испускаемых металлом за каждую секунду, называют током эмиссии.

Ток в вакууме - это направленное движение электронов, полученных в результате термоэлектронной эмиссии.

В данной работе исследуется ток в трехэлектродной электронной лампе - триоде. Триод имеет три электрода: анод, катод, сетку. Сетка лампы расположена между катодом и анодом и почти всегда делается в виде проволочной спирали, окружающей катод. На рис. 1 показана цилиндрическая конструкция электродов триода. Для нормальной работы лампы давление газа в ней не должно превышать 0,7 - 1,5∙10^-4 Па.

Катод служит для испускания электронов. Анод притягивает электроны, испускаемые катодом, т.е. создает внутри лампы поток свободных электронов. В пространстве между анодом и катодом образуется электрическое поле, силовые линии которого направлены от анода к катоду, которое ускоряет электроны к аноду.

Сетка управляет потоком электронов внутри лампы, т.е. анодным током. Поэтому ее называют управляющим электродом. Небольшие изменения напряжения на сетке оказывают на анодный ток значительное влияние.

Рассмотрим влияние на анодный ток положительного и отрицательного напряжения на сетке (рис. 2, 3). Пусть в цепь управляющей сетки включена батарея GB1, положительный полюс которой соединен с сеткой и стрелкой показано направление сеточного тока. В цепь анода включена батарея GB3, положительный полюс которой соединен с анодом и стрелкой в анодной цепи показано направление анодного тока I_a.

При небольшом отрицательном напряжении (при обратной полярности батареи GB1) сетка отталкивает электроны, вылетающие из катода, но часть их все же под действием поля анода пролетает сквозь сетку (рис. 3). Анодный ток при этом уменьшается. Однако можно настолько увеличить отрицательное напряжение на сетке, что сетка будет отталкивать все электроны и анодный ток прекратится. Лампа окажется "запертой".

Положительное напряжение действует иначе. Оно помогает притягивать электроны, эмитируемые с поверхности катода. Большинство электронов, несмотря на притяжение к сетке, вследствие большой своей скорости, пролетает по инерции в просветы сетки и летит к аноду, так как напряжение на аноде всегда значительно больше, чем на сетке. Часть электронов все же притягивается сеткой и, попадая на нее, образует сеточный ток (рис.3).

При достаточно большом положительном напряжении на сетке анодный ток возрастает до величины тока насыщения, но одновременно значительно возрастает сеточный ток.

Ток эмиссии при насыщении равен сумме анодного и сеточного токов.

Изменяя напряжение на управляющей сетке в сравнительно небольших пределах от некоторого отрицательного до некоторого положительного значения, можно получить изменения анодного тока от нуля до тока насыщения. В этом состоит управляющее действие сетки.

Вольт-амперные характеристики лампы дают наглядное представление об особенностях тока в вакууме при изменении электрического поля.

Анодные вольт-амперные характеристики показывают зависимость анодного тока I_а от анодного напряжения U_а при постоянном напряжении сетки U_с.

Основная характеристика, соответствующая U_c = 0 начинается от точки, где напряжение анода равно нулю.

При увеличении анодного напряжения увеличивается и анодный ток (см. кривую U_с = 0). При небольших значениях анодного напряжения зависимость I_a (U_a) выражается формулой Богуславского-Ленгмюра:

,

где B - коэффициент, зависящий от формы электродов и их взаимного расположения.

Эта зависимость получила название закона "трех вторых". Ток в вакууме не подчиняется закону Ома для участка цепи.

Характеристики для положительных значений напряжений на сетке идут выше основной, полученной при U_с = 0, (так как величины анодного тока при положительных напряжениях на сетке получаются большими) и начинаются в точке, соответствующей U_a = 0.

Характеристики для отрицательных значений напряжения сетки расположены правее основной и начинаются из точек, соответствующих определенному положительному напряжению на аноде.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: