Изучение протекания тока в двухэлектродной радиолампе (вакуумный диод) наиболее просто позволяет экспериментально определить закономерности протекания тока, в случае наличия пространственного объемного заряда.
Одним электродом в вакуумном диоде является катод, изготовленный из тугоплавкого металла (вольфрам, молибден и др.), обычно легированного примесными атомами. При пропускании электрического тока катод нагревается и становится источником электронов за счет явления термоэлектронной эмиссии. Ток, нагревающий катод, называется током накала IН. Конструктивно катод представляет собой проволоку, расположенную по оси металлического цилиндра, который является анодом. В процессе работы диода анод нагревается слабо, поэтому термоэлектронной эмиссии из него не наблюдается
Схема включения вакуумного диода в электрическую цепь показана на рис. 34.1. Схема состоит из цепи накала с источником ЕН и анодной цепи с источником ЕА.
|
| Рис. 34.1. |
При отсутствии между катодом и анодом напряжения (ключ К разомкнут), вокруг нагретого катода образуется отрицательно заряженное электронное облако. Для данной температуры катода устанавливается динамическое равновесие: число электронов, выходящих в единицу времени из катода равно числу электронов, возвращающихся из облака обратно в катод.
При подаче на анод положительного потенциала появляется ток между электродами. Динамическое равновесие между облаком и катодом нарушается.
Богуславский и Ленгмюр, независимо друг от друга, вывели формулу, которая описывает ток IА, текущий в диоде, в зависимости от приложенного к аноду напряжения UА:
IА = kUА 3/2, (34.1)
где k – коэффициент пропорциональности, определяемый формой анода и катода. Эта зависимость носит название «закон трех вторых».
|
| Рис.34.2. |
Формула (34.1) была выведена в предположении, что все электроны, выходящие из катода, имеют кинетическую энергию равную нулю. На самом деле их энергии лежат в пределах от нулевой до некоторой максимальной кинетической энергии, которая возрастает с ростом температуры катода.
Вольтамперная характеристика вакуумного диода приведена на рис. 34.2. На ней можно выделить три участка: I – начальная часть вольтамперной характеристики; II – интервал напряжений на аноде, при котором сказывается действие объемного заряда и справедлив «закон трех вторых». III – область насыщения вольтамперной характеристики.
|
| Рис.34.3. |
Вид начальной части вольтамперной характеристики, обусловлен неравенством нулю скоростей эмиттируемых катодом электронов. В случае UA = 0 часть электронов достигает анода за счет своей кинетической энергии, и ток IА отличен от нуля.
Появление области насыщения связано с тем, что при больших значениях ускоряющего электроны напряжения электронное облако практически не образуется, так как все электроны, выходящие из катода при данной температуре, доходят до анода, создавая ток насыщения IНАС. Число испускаемых электронов зависит от температуры катода, поэтому различным токам накала будут соответствовать различные токи насыщения. Варьируя значения IН, можно получить семейство вольтамперных характеристик диода (рис. 34.3).
Для диода, у которого катод представляет из себя цилиндрическую проволоку радиуса rК, расположенную по оси цилиндрического анода радиуса rА, формула (34.1) в СИ будет иметь вид:
 |
где lА – длина анода, e/m – удельный заряд электрона, UА – потенциал анода, b 2 – некоторая функция отношения rА/rК (величину b 2 необходимо учитывать, если указанное отношение меньше 10, в противном случае принимают b 2 = 1), eо – электрическая постоянная.
| (34.3) |
Из соотношения (34.2) можно получить формулу для определения удельного заряда электрона:
Отношение IА/UА3/2 равняется тангенсу угла наклона прямолинейного участка зависимости, приведенной на рис. 34.4
|
| Рис.34.4. |
tg j = IА/UА3/2,
и тогда формулу (34.3) можно записать:
(34.4)
Для того, чтобы экспериментально определить удельный заряд электрона необходимо получить характеристику вакуумного диода, представляющую собой зависимость IА = f(UА), при постоянном токе накала катода (IН = const), обеспечивающим необходимую температуру катода.
В эксперименте обычно регистрируется семейство указанных зависимостей при разных значениях тока накала катода, что позволяет обеспечить большую точность получаемых результатов.
