Во время домашней подготовки к лабораторным работам №8-10, в целях экономии времени на занятии, рекомендуется научиться быстро и правильно снимать показания с измерительных приборов. Для этого необходимо сначала определить цену деления шкалы измерительного прибора. Цену деления шкалы прибора можно найти, если предел измерения прибора разделить на число делений шкалы. Например, если предел измерения вольтметра равен , а шкала прибора имеет  делений, то получаем: . Теперь, чтобы правильно снять показания с измерительного прибора, необходимо посмотреть, сколько делений показывает стрелка. При этом глаз экспериментатора должен располагаться строго над стрелкой. Например, стрелка вольтметра показывает  делений. Окончательно имеем: .

При подготовке к лабораторной работе №11 необходимо ознакомится с п.3 лабораторной работы №1 (часть I), а именно, правилами измерения штангенциркулем и микрометром. Отсчёт по шкале сахариметра делается аналогичным образом.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

Изучение работы электронной лампы (триода)

1. Цель работы: изучение принципа работы, устройства и характеристик трёхэлектродной лампы.

2. Краткая теория

В металле всегда имеется большое число свободных электронов (в 1 см³ имеется приблизительно  электронов), находящихся в непрерывном хаотическом движении, скорость и кинетическая энергия которых зависят от температуры металла. Двигаясь хаотически, электроны могут покидать проводник. Это явление называется электронной эмиссией. Но так как электроны заряжены отрицательно, то при выходе их из металла на поверхности последнего остаются положительно заряженные ионы. Положительные ионы и вышедшие электроны создают вокруг металла электрическое поле, подобное полю конденсатора, силы которого стремятся вернуть электроны в металл. Поэтому, для того чтобы покинуть металл, электрон должен обладать запасом энергии, достаточным для совершения работы против сил электрического поля.

Минимальная энергия, необходимая для выхода электронов из металла, называется работой выхода.

,

где е — заряд электрона;  — потенциал выхода.

Величина работы выхода зависит от рода металла и от чистоты обработки его поверхности.

Таким образом, вблизи поверхности металла всегда имеется какое-то число электронов, но в обычных условиях оно мало. Для увеличения числа вышедших электронов им надо сообщить дополнительную энергию. Сделать это можно разными способами, например, нагреванием.

Выход электронов из металла при нагревании называется термоэлектронной эмиссией.

Чем выше температура металла, тем больше число электронов в облаке, окружающем его поверхность.

Термоэлектронная эмиссия широко используется по многих электронно-вакуумных приборах: электронных осциллографах, электронных микроскопах, рентгеновских трубках, электронных лампах и т. д.

Простейшими электронными лампами являются двухэлектродная лампа, или диод, и трёхэлектродная лампа, или триод.

Трехэлектродная лампа устроена следующим образом (см. рис. 1 и схематическое изображение в радиосхемах на рис. 2).

В герметичном стеклянном баллоне с высоким вакуумом помещён источник электронов — катод 4. Он представляет собой тонкую металлическую трубку, покрытую слоем окислов щёлочноземельных металлов. Такие катоды имеют малую работу выхода. Катод разогревается нитью накала 3, которая расположена внутри трубки катода.

Нить накала и катод электрически изолированы друг от друга (такие катоды называются катодами косвенного накала или разогревными). Катод находится внутри тонкостенного металлического цилиндра (анода) 1. Между катодом и анодом располагается третий электрод — сетка, имеющая вид редкой спирали.

Схема подключения триода в цепь показана на рис. 3. Анодная батарея  служит для создания электрического поля между катодом и анодом лампы. Заметим, что напряжение на электродах лампы определяется относительно катода. Напряжение на аноде всегда положительно, а на сетке может быть как положительным, так и отрицательным.

Если подать на сетку достаточно большое отрицательное напряжение, то электроны не смогут преодолеть отталкивающее действие потенциала сетки и анодного тока не будет (лампа «заперта»).

При положительном сеточном напряжении поток электронов сильно возрастает. При определённом значении напряжения на сетке  анодный ток достигает максимальной величины и при дальнейшем повышении напряжения остается постоянным, равным  (рис. 4). Это явление называется насыщением, а ток  — током насыщения. Насыщение обусловлено тем, что все электроны, испускаемые катодом, достигают анода. При токе насыщения электронное облако вокруг катода полностью рассасывается.

Анодный ток в триоде при постоянном напряжении накала является функцией напряжения на сетке и на аноде лампы. Таким образом, в триоде анодный ток является функцией двух напряжений:

,                                                         (2)

которые могут меняться независимо друг от друга. Поэтому в триоде изучают следующие зависимости:

                                 (3)

Эти зависимости называются соответственно анодными и сеточными статическими характеристиками лампы.

На рис. 4 и 5 изображены семейства анодных и сеточных характеристик триода небольшой мощности.

Как видно из рисунка, триоды имеют нелинейные вольтамперные характеристики.

Важным параметром триода является внутреннее сопротивление, которое определяется из анодных характеристик (рис. 4) отношением  при постоянном сеточном напряжении:

.     (4)

Внутреннее сопротивление лампы измеряется в омах.

Другим важным параметром триода является крутизна сеточной характеристики лампы (или сокращённо — крутизна лампы), которая определяется из сеточных характеристик (рис. 5) отношением при постоянном анодном напряжении:

Крутизна лампы определяется наклоном сеточной характеристики и измеряется в мА/В.

Третьим параметром триода является его статический коэффициент усиления (или сокращенно — коэффициент усиления лампы), который определяется тоже из сеточных характеристик (рис. 5) отношением при постоянном анодном токе:

.                                    (6)

Проницаемостью лампы называется величина, обратная коэффициенту усиления . Все три параметра лампы сохраняют постоянное значение только для прямолинейной части характеристик.

Связь между параметрами ,  и  выражается соотношением:

.                        (7)

На ранее приведённом рис. 3 дана схема подключения триода, работающего как усилитель. Небольшие изменения напряжения на сетке вызывают значительные изменения анодного тока и падение напряжения , на сопротивлении нагрузки , а соответственно и большое изменение мощности .

Двухэлектродная лампа — диод отличается от триода только отсутствием сетки. На радиотехнических схемах диод изображается так, как показано на рис. 6 (с катодом прямого накала) и на рис. 7 (с катодом косвенного накала).

Диод пропускает через себя ток только в том случае, когда потенциал анода выше, чем катода. Когда на катоде положительный потенциал, то диод «заперт» и тока не пропускает. Это свойство односторонней проводимости диода позволяет использовать его для выпрямления переменного тока. На рис. 8 (кривая 1) показан график тока, текущего через диод, если на него подается синусоидальное напряжение. В этом случае ток проходит через диод только в течение половины периода (пунктиром изображен ток обратного направления).

На рис. 9 показана принципиальная схема включения диода ( ). В результате выпрямления переменного тока напряжение на нагрузке , если бы не был включен параллельно ей конденсатор , имело бы вид импульсов напряжения  (рис. 8, кривая 1). Конденсатор  включают для сглаживания пульсации напряжения. В этом случае в течение положительного полупериода напряжения конденсатор будет запасать энергию, (заряжаться), а в момент снижения напряжения будет отдавать запасённую энергию в нагрузку. Благодаря этому напряжение на выходе цепи кенотрона будет сглажено (рис. 8, кривая 2).

Для улучшения характеристики электронных ламп их делают четырёхэлектродными (тетрод), пятиэлектродными (пентод) и др. Широкое применение получили лампы с комбинацией системы электродов в одном баллоне. В настоящее время электронные лампы постепенно вытесняются полупроводниковыми приборами, у которых меньшие габариты, большой срок службы, отсутствует цепь накала и др. Однако недостатком полупроводниковых приборов является то, что их сравнительно легко можно вывести из строя мощными электромагнитными полями. Поэтому в ответственных случаях (например, в радиосвязи, на военных спутниках) используют электронные лампы.

Описание установки

Схема экспериментальной установки изображена на рис. 10. Установка состоит из цепи сетки, цепи анода и цепи накала лампы. Реостат  включен по схеме потенциометра и с его помощью можно изменять напряжение в цепи сетки. Переключатель , находящийся в цепи сетки, позволяет подавать на сетку лампы положительный и отрицательный потенциалы в зависимости от положения переключателя. В работе используется маломощная трёхэлектродная лампа с катодом косвенного накала.

Напряжение анодного тока устанавливается с помощью потенциометра  по вольтметру . Ток в анодной цепи измеряется с помощью миллиамперметра . Напряжение в цепи сетки измеряется вольтметром . Для подключения схемы к источникам питания предусмотрены выключатели  и .

Порядок выполнения работы

Записать маркировку лампы и её характеристики. Изучить схему установки и проверить правильность подключения приборов и выбор пределов их измерения. Определить цену деления приборов.

Задание 1.

Снять сеточную характеристику лампы, для чего:

а) разомкнув ключи  и , поставить движком потенциометра напряжение накала, ввести полностью сопротивление потенциометра ;

б) после проверки схемы установки преподавателем, включить источники питания, проверить подачу напряжения накала;

в) после прогрева катода лампы (через 1-1,5 мин) замкнуть ключ  и установить с помощью потенциометра  (по вольтметру ) необходимое анодное напряжение  (см. табл. 1);

г) замкнуть ключ  и с помощью потенциометра  и переключателя  установить отрицательное сеточное напряжение, при котором ток в анодной цепи равен нулю (лампа «заперта»);

д) поддерживая анодное напряжение  постоянным, увеличивать сеточное напряжение  на  от отрицательного (запирающего лампу) напряжения через нуль до положительного (8-10В) и фиксировать значение анодного тока   по миллиамперметру. Показания приборов занести в табл. 1;

е) измерения произвести для разных значений анодного напряжения;

ж) для каждого напряжения на аноде  снимать не менее 8 точек.

Таблица 1

=100B		=140B
(B)	(мА)	(B)	(мА)

Задание 2.

Снять анодную характеристику лампы:

а) при трёх постоянных значениях сеточного напряжения ,  и , изменяя напряжение на аноде  через 10-20В, снять значение анодного тока по миллиамперметру в анодной цепи лампы. Поскольку при сеточном напряжении  анодный ток очень мал, следует для этого случая переключить миллиамперметр на меньший предел измерения;

б) для каждого напряжения на сетке  снимать не менее 8 точек. Данные эксперимента записать в табл. 2.

Таблица 2

(B)	(мА)	(B)	(мА)	(B)	(мА)