Электричество и магнетизм (стр. 11 из 24)

Современные оксидные катоды отличаются высокими качествами. Их рабочая температура равна 1000 К, а иногда и ниже. Нормальная эмиссионная способность таких катодов достигает 10⁴ А/м². Для сравнения укажем, что рабочая температура вольфрамовых катодов лежит около 2400 К, а снимаемые с них термоэлектронные токи на практике не превышают 10³ А/м². При очень кратковременных токах (импульсы тока длительностью 10^-6 -10^-5 с) оксидные катоды способны давать эмиссию до 10⁶ А/м² и выше.

Точного математического выражения зависимости анодного тока от анодного напряжения на всей вольт-амперной характеристике найти не удаётся. Приняв некоторые, вполне реальные допущения, С. А. Богуславский и И.Ленгмюр показали, что наиболее важный участок характеристики можно достаточно точно описать формулой:

I_a = CU_a^3/2 , (5)

где С - постоянная, зависящая от формы и размеров электродов. Эта формула носит название закона Богуславского-Ленгмюра, или закона трёх вторых. Допущения, сделанные при её выводе, следующие: а) начальными скоростями эмитированных электронов пренебрегают и считают их равными нулю; б) анодный ток далёк от насыщения; в) пространственный заряд создает такое распределение потенциала, что непосредственно на поверхности катода напряжённость поля равна нулю.

В реальных диодах наблюдаются значительные отклонения от закона трёх вторых. Эти отклонения обусловлены рядом причин: а) напряжённость электрического поля у поверхности катода несколько отличается от нуля; б) система катод-анод асимметрична; в) не учитывается наличие контактной разности потенциалов между катодом и анодом; г) происходит ионизация остаточного газа. Поэтому анодный ток возрастает значительно быстрее, чем следует из закона трёх вторых.

Экспериментальная установка

Для изучения явления термоэлектронной эмиссии и проверки закона трех вторых, можно воспользоваться установкой, принципиальная схема которой представлена на рис.2. Катод нагревается переменным током от источника Одновременно катод К электронной лампы соединён с отрицательным полюсом источника питания постоянного тока 110 В, а анод А - с положительным. Температуру накала катода можно менять, регулируя ток, подаваемый с источника на нить накала катода, который измеряется амперметром А. Величину анодного напряжения можно менять, регулируя напряжение, подаваемое с источника постоянного тока и измерять вольтметром V.

Микроамперметр

А предназначен для измерения анодного тока.

Проведение эксперимента

1. Собрать схему по рис. 2. Включать схему в цепь только с разрешения преподавателя!

2. Включить цепь накала и установить ток накала I_и=5,1 А. Меняя анодное напряжение от 0 до 20 В через 5 В, а затем от 20 до 100 В через каждые 10 В, снять анодную характеристику лампы.

3. Снять анодные характеристики лампы при меньших токах накала – 5,0 А и 4,9 А. Занести все измерения в таблицу 1:

Таблица 1

Iи = 5, 1 А		Iи = 5, 0 А		Iи = 4, 9 А
Ua, В	Iа, мкА	Ua, В	Iа, мкА	Uа. В	Ia, мкА

4. Построить графики зависимостей I_a=f (U_a) по данным измерений. Определить для всех кривых ток насыщения.

5. Вычислить значения lgI_a и lgU_a для одного из токов накала. Результаты занести в таблицу 2:

Таблица 2

№

Ia, мкА

lgJa

ua, В

lg ua

6. Построить график зависимости lg I_a= f(lg U_a). При построении графика брать один и тот же масштаб, как по оси ординат, так и по оси абсцисс.

7. Выбрать линейный участок полученного графика, определить численное значение коэффициента С и вычислить угловой коэффициент n по формуле:

для двух любых точек линейного участка.

8. Сравнить полученное значение углового коэффициента с показателем степени в формуле (5).

Контрольные вопросы

1. Электронная эмиссия, ее виды. Работа выхода

2. Вольт-амперная характеристика вакуумного диода.

3. Закон Богуславского-Ленгмюра.

4. Каковы причины отклонения от закона Богуславского-Ленгмюра в реальных электронных лампах.

5. Зависимость тока насыщения от температуры, формула Ричардсона-Дэшмена.

6. Электронная лампа как выпрямитель.

7. Как определить поток и плотность потока электронов из катода?

8. Методика проведения эксперимента.

Литература, рекомендуемая к лабораторной работе:

1. Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм.- М.: Высшая школа, 1983.

2. Калашников С.Г. Электричество. – М.: Наука, 1977.

3. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2, Т. 3. – М.: Наука, 1977.

4. Телеснин Р.В., Яковлев В.Ф. Курс физики. Электричество.-М.: Просвещение, 1970.

5. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.3. Электричество.- М.: Физматлит МФТИ, 2002.

6. Иродов И.Е. Электромагнетизм. Основные законы. –М.- С.-П.: Физматлит Невский диалект, 2001

7. Зильберман Г.Е. Электричество и магнетизм. – М.: Наука, 1970.

8. Парсел Э. Курс физики Т.2 Электричество и магнетизм – М.: Наука, 1971.

9. Рублев Ю.В., Куценко А.Н., Кортнев А.В. Практикум по электричеству. – М.: Высшая школа, 1971.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ЖИДКОСТИ.

Цель работы:

Экспериментальное изучение законов протекания тока через электролит. Определение числа Фарадея, заряда электрона, коэффициента диффузии, подвижности и скорости ионов.

Идея эксперимента

Для визуализации движения ионов используется водный раствор перманганата калия (KMnO₄) малой концентрации. Измеряя перемещение фиолетовых ионов MnO₄ можно определить их скорость υ и подвижность b, зависимость этих величин от напряженности поля Е, в котором находятся ионы. В измеряемые величины вносит вклад диффузия ионов MnO₄ в растворе KNO₃. Проводя измерения с полем и без поля можно определить коэффициент диффузии D и учесть его вклад в величины

υ и b.

Измерив массу вещества, выделившегося на электроде, можно определить число Фарадея F и заряд электрона e.

Теоретическая часть.

Вещества, в которых при прохождении тока происходят химические превращения, называются проводниками второго рода или электролитами. К их числу принадлежат растворы солей, щелочей или кислот в воде и некоторых других жидкостях, а также расплавы солей, являющихся в твердом состоянии ионными кристаллами

Носителями тока в электролитах служат ионы, на которые диссоциируют (расщепляются) в растворе молекулы растворенного вещества. Образовавшиеся ионы начинают странствовать по раствору. Если ионы разных знаков сблизятся на достаточно малое расстояние, они могут объединиться снова в молекулу. Этот процесс, противоположный процессу диссоциации, называется рекомбинацией или молизацией ионов. В растворе идут одновременно оба процесса. Когда количество молекул, диссоциирующих в единицу времени, станет равным количеству молекул, возникающих за то же время вследствие рекомбинации, установится равновесное состояние. Этому состоянию соответствует определенная степень диссоциации, которую принято характеризовать коэффициентом диссоциации α, показывающим, какая часть молекул растворенного вещества находится в диссоциированном состоянии.

Пусть в каждой единице объема раствора имеется n молекул растворенного вещества, из которых α∙ n диссоциировано, а (1-α) n – не диссоциированы. Количество элементарных актов диссоциации в одну секунду в единице объема тем больше, чем больше имеется в наличии нерасщепленных молекул, т.е. равно:

η₁= А(1-α)n,

где А – коэффициент, зависящий от природы электролита и его температуры. Число актов рекомбинации пропорционально числу соударений разноименных ионов, которое пропорционально концентрации положительных и концентрации отрицательных ионов, т.е. равно:

η₂= B(nα)².

В состоянии равновесия η₁= η₂

А(1-α)n= B(nα)²,

откуда:

.

Полученная формула выражает закон Оствальда, показывающий, как зависит коэффициент диссоциации α от концентрации раствора n.

Если ввести в электролит два электрода (металлических или угольных), соединенных с полюсами источника постоянного напряжения, и создать постоянное внешнее электрическое поле, то под действием электрических сил ионы в растворе придут в направленное движение. К аноду будут двигаться отрицательные ионы (анионы), к катоду — положительные ионы (катионы).

Достигнув электродов, ионы разряжаются: анионы отдают аноду свои избыточные электроны, катионы восстанавливаются на катоде. Например, молекулы медного купороса CuSO₄ диссоциируют при растворении на положительные ионы Си⁺⁺ и отрицательные ионы SO₄^{- -} . Кроме ионов Си⁺⁺ и ионов SO₄^{- -}, раствор содержит также водородные (Н ⁺ ) и гидроксильные (ОН^-) ионы воды.