В данной задаче не требуется оценка погрешностей.
Вакуумный диод представляет собой электровакуумный прибор, обладающей односторонней проводимостью тока. Конструкции разных вакуумных диодов могут отличаться друг от друга. Ниже описано устройство прибора, использующегося в данной задаче (см. рис. 1). Компоненты диода помещены в герметично закрытую стеклянную колбу, из которой откачан воздух. Внутри колбы находятся два электрода. Электрод, на который подаётся отрицательный потенциал – катод – представляет собой вольфрамовую спираль (спираль накала) с двумя выходами, покрытую некоторым веществом. При протекании тока через вольфрамовую спираль, она и покрывающее ее вещество разогреваются. При этом часть электронов из-за увеличившейся скорости теплового движения покидает вещество, окружающее спираль. Этот процесс носит название термоэлектронная эмиссия. Катод окружен вторым электродом, имеющим цилиндрическую форму – анодом. При подаче положительного потенциала на анод, вылетевшие с катода электроны устремляются к аноду. Если подавать на анод отрицательный относительно катода потенциал, то электроны, вылетевшие с катода, будут возвращаться обратно на катод. То есть при положительном напряжении «анод-катод», ток через диод будет течь, а при отрицательном – не будет. Таким образом достигается главная особенность вакуумного диода – односторонняя проводимость.
Для пропускания тока через спираль накала необходимо подключить питание к центральному выводу катода (5), а также к одному из боковых (1, 4, 7). Контакт анода находится с противоположной стороны от основной группы контактов (см. рис. 2).
При протекании тока через спираль катода она разогревается. Однако при малых токах ее температура мало отличается от комнатной.
Сопротивление спирали $R$ меняется с температурой $T$ по закону:
$$R=R_0(1+\alpha(T-T_0)),\tag{1}$$где $\alpha=0.51\cdot10^{-2}~^\circ С^{-1}$ – температурный коэффициент сопротивления вольфрама, $T_0$ – комнатная температура. Примите $T_0=20~^\circ С$.
1.2 Подавая на спираль разные напряжения с источника питания, измерьте зависимость температуры спирали от протекающего через неё тока $I_н$. При проведении измерений, каждый раз дожидайтесь, пока температура спирали перестанет изменяться после установления нового, поданного на нее напряжения. Исследуйте диапазон токов накала от $0$ до $170~мА.$ Постройте графики зависимости $T(I_н)$.
2.1
Измерьте зависимость анодного тока $I$ от напряжения между анодом и катодом $U$. Напряжение на источнике питания меняйте в диапазоне от $0$ до $30~В.$ Эта зависимость в некотором диапазоне напряжений может быть описана с помощью степенной функции:
$$I=A\cdot U^{n},\tag{2}$$ где $A$ – некоторый постоянный размерный коэффициент.
Построив линеаризованный график зависимости, определите показатель степени $n$.
2.2 Измерьте вольт-амперную характеристику $I(U)$ диода при токе нити накала $I_{н2}=130~мА$ и $I_{н3}=120~мА$. Для этого модифицируйте схему питания нити накала так, чтобы появилась возможность регулировки тока накала. Опишите эти изменения. Нанесите зависимости $I(U)$ при разных токах накала на один график. Кратко опишите по какой причине виды графиков при токе накала $I_{н2}$ и $I_{н3}$ отличаются.
В простейшей модели, зависимость количества $N$ электронов, вылетающих с катода в единицу времени, от температуры спирали накала $T$ имеет экспоненциальный вид:
$$N=N_0 \exp{\left(-\frac{E}{kT}\right)},\tag{3}$$где $N_0$ — некоторая константа, $k$ – константа Больцмана, $E$ – приращение потенциальной энергии свободного электрона при выходе из катода в вакуум.
4 Измерьте зависимость анодного тока $I_9$ от тока, текущего через катушку $I_м$. Измерения проведите в диапазоне токов катушки от $0$ до $2~А$ (при большем значении тока катушка может перегореть). Подключите еще одну батарейку «Крона» в цепь питания анода. Вновь измерьте зависимость анодного тока $I_{18}$ от тока, текущего через катушку $I_м$.
Отнормируйте силу тока, текущую через анод на максимальное значение силы тока в соответствующем эксперименте, то есть рассчитайте величины:
$$ i_9=\frac{I_9}{I_{9max}}~и~~ i_{18}=\frac{I_{18}}{I_{18max}}.\tag{4}$$
Постройте зависимости $i_9(I_м)$ и $i_{18}(I_м)$ на одном графике. Определите, при каком токе, текущем через катушку, анодный ток падет в два раза в случае питания цепи анода одной батарейкой «Крона» и двумя батарейками «Крона». Кратко объясните различие в значениях найденного тока для двух случаев.
