Визначення питомого заряду електрона методом магнітного фокусування. 2 страница

5. Розімкніть К і П, замініть випрямляч селеновий на германієвий. Вольтметр включіть на границю 1,5-3 В, перемикач П – в положення 1 – 2. Зніміть прямий струм для означених вище значень напруги.

6. Впевніться , що міліамперметром неможливо виміряти зворотній струм.

7. За даними вимірювань побудуйте графіки вольт-амперних характеристик. При цьому по осі абсцис відкладайте напругу, а по осі ординат – струми.

U(В)
Селеновий випрямляч
I
Германієвий випрямляч
I

Дайте відповіді на запитання:

1. Чому на контакті р- і n-напівпровідників виникає контактна різниця потенціалів?

2. Які переваги напівпровідникових діодів перед ламповими?

3. В яких пристроях застосовуються випрямлячі змінного струму?

Лабораторна робота №30.

Дослідження роботи двоелектродної вакуумної лампи.

Прилади та приладдя: вольтметр для вимірювання анодної напруги, міліамперметри для вимірювання струму розжарення катоду та анодного струму, потенціометр для регулювання анодної напруги, реостат для регулювання напруги розжарення, досліджувана двоелектродна лампа.

Мета роботи: вивчення закономірностей електричного струму у вакуумі і термоелектронної емісії на прикладі вакуумного діоду.

Коротка теорія і метод вимірювань

Робота вакуумних електронних ламп грунтується на явищі термоелектронної емісії – випусканні електронів з поверхні розжареного металу. Для виходу електрона із металу йому треба виконати роботу А=e^.U, де: е –заряд електрона, U - зовнішній скачок потенціалу на подвійному електричному шарі біля поверхні металу.

На явищі термоелектронної емісії грунтується дія різноманітних електронних приладів. Один із них – електронна вакуумна лампа – являє собою герметичний скляний або металевий балон, із якого відкачано повітря до вакууму, коли тиск відповідає 10 ^-7 - мм. рт. ст. В балоні розміщуються електроди різної форми в залежності від конструкції лампи (рис.1). Один із електродів (катод) грає роль джерела електронів. Для інтенсивного випускання електронів катод розжарюється прямим або непрямим шляхом. При прямому розжаренні нитка катода виготовляється з тугоплавкого металу, і через нього пропускається струм від джерела розжарювальної напруги. При непрямому розжаренні струм пропускається через допоміжну нитку, яка розжарює катод без пропускання через нього струму. Другий електрод в лампі зветься анодом. В тріоді, крім катода і анода, існує ще один електрод – керуюча сітка. Застосовують лампи і з більшою кількістю елекродів: тетроди, пентоди і т.д. Діоди застосовують переважно для випрямляння змінного струму.

Розглянемо процеси, що відбуваються в діоді при створенні між катодом та катодом різниці потенціалів або анодної напруги. Під дією електричного поля електрони переміщуються в напрямку анода, і в лампі виникає анодний струм. Наявність просторового заряду електронної хмарки призводить до того, що при малому значенні напруги анодний струм може бути значно менше можливого значення струму емісії із катода, проте при підвищенні анодної напруги струм поступово збільшується. Залежність величини анодного струму від анодної напруги у двоелектродній лампі подається за законом Богуславського-Ленгмюра:

I = a U ^2/3 , (1)

де а – стала, що залежить від форми та розмірів катода.

При досягненні певної напруги електронна хмарка біля катода повністю розсмоктується, і всі електрони, випущені катодом в одиницю часу, долітають до анода. Струм досягає максимального значення, і подальше збільшення анодної напруги не збільшує його. Це граничне значення анодного струму зветься струмом насичення. Величина струму при термоелектроонній емісії визначається співвідношенням Річардсона-Дешмена :

I = B T² exp ( -A / ( k T ), (2)

де Т - абсолютна температура катода; А – робота виходу елетрона із металу; k -стала Больцмана; B - стала.

Катоди багатьох елетронних ламп покривають шаром окисів барію або торію. Такі оксидовані катоди мають меншу роботу виходу і дозволяють одержувати велику електронну емісію вже при температурах 600-800˚С. Залежність анодного струму від анодної напруги – вольт-амперні характеристики – для різних температур розжарення катода подані на рис. 2.

Порядок виконання роботи:

Завдання 1. Побудова вольт-амперної характеристики діода.

1. Зберіть вимірювальне коло по схемі рис. 3.

Рис. 3.

2. Після перевірки схеми викладачем замкніть кола анодної напруги і напруги розжарення.

3. За допомогою реостату R₂ встановіть струм розжарення катода I_H = 180 мА і підтримуйте його сталим в наступних вимірюваннях.

4. Протягом 5-10 хв. лампа має прогрітися, потім потенціометром змінюйте напругу на аноді через 1,5 –2,0 В у межах від 0 до 25 В, вимірюючи при цьому анодний струм I_a. Одержані значення U_a і I_a занесіть до табл. 1 і за цими даними побудуйте графік залежності I_a = f ( U_a ). На графікові мають бути нанесені що найменше 10 точок. Одержали вольт-амперну характеристику діоду.

5. Повторіть дослід при значеннях струму розжарення у 210 та 240 мА і побудуйте графік залежності I_a = f (U_a) на тих же осях, що і для струму розжарення в 180 мА.

6. Закінчивши вимірювання, розімкніть коло.

Таблиця 1

мА		Ua		2,0	4,0	6,0	…
Ia
	Ua
Ia
	Ua
Ia

Завдання 2. Отримання температурної (емісійної) характеристики діода.

1. Потенціометром R₁ встановіть величину анодної напруги U_a=15,0 В і підтримуйте його сталим під час всього досліду.

2. Потенціометром R₂ встановіть струм розжарення 180 мА і виміряйте величину анодного струму.

3. Підтримуючи анодну напругу сталою, змінюйте струм розжарення I_H від 180 до 300 мА через кожні 15-20 мА і для кожного I_H виміряйте анодний струм. Одержані значення I_a і I_H занесіть до табл.2. За даними таблиці побудуйте графік залежності анодного струму від струму розжарення I_a=f(I_H) - емісійну характеристику діоду.

4. Повторіть дослід при U_a=12,0 і 9,0В. За результатами вимірювань побудуйте графік I_a = f ( I_H ) на тих же осях, що й при анодній напрузі 15,0 В.

Таблиця 2

		IH					…
Ia
	IH					…
Ia
	IH					…
Ia

Дайте відповіді на запитання:

1. Що таке робота виходу і від чого вона залежить?

2. Намалюйте вольт-амперну характеристику діода і поясніть форму цієї кривої.

3. У який спосіб на основі вимірювань струму в діоді можна визначити роботу виходу електронів із металічної нитки катода?

Лабораторна робота № 31.

Дослідження транзистора типу МП-40, увімкненого за схемою зі

спільним емітером.

Прилади та приладдя: установка для дослідження транзисторів, транзистор типу МП-40, джерело живлення на 3 і на 10 В.

Мета роботи: дослідження роботи транзистора, ввімкненого за схемою з загальним емітером у статичному режимі.

Коротка теорія і методика вимірювань

Транзистор – триелектродний напівпровідниковий прилад, що має два взаємодіючі електронно-діркові переходи. В транзисторі за типом провідності чергуються три області напівпровідника: р-n-р або n-р-n. Принцип роботи їх однаковий.

Розглянемо транзистор типу р-n-р (рис. 1). На схемі: 1 – емітерний р-n перехід; 2 – колекторний n-р перехід; Б – омічний контакт. Площа колекторного переходу S_к значно більша за площу емітерного переходу S_e. Товщина бази складає від часток до кількох десятків мікрометрів. Концентрація домішок в базі невелика і значно менша за їх концентрацію в областях колектора і емітера.

При вмиканні джерела напруги емітерного переходу U_e (джерело U_к вимкне-

не) в область бази з боку емітера інжектуються дірки, які порушують електричну нейтральність бази, в результаті чого потенціал бази зростає. Це сприяє притоку електронів із зовнішнього кола, які нейтралізують позитивний заряд бази, зумовлений притоком дірок з боку емітера. В колі бази тече струм бази I_Б, приблизно однаковий зі струмом емітера I_e - відкритий емітерний контакт.

При одночасному ввімкнені джерела U_e і U_к картина суттєво змінюється. Дірки, що ввійшли до бази з боку емітера, спрямовуються до колекторного переходу, тому що поле для них є прискорюючим. Втягуючись полем колекторного переходу в область колектора, дірки зумовлюють колекторний струм, рекомбінуючи з електронами, що прийшли в область колектора із зовнішнього колекторного кола. Частка дірок ( приблизно 0,1% ) рекомбінують у базі, що сприяє притоку електронів із зовнішнього кола бази і визначає струм I_б. Отже, струм емітера дорівнює:

I_e = I_к + I_б. (1)

В загальному випадку рівність (1) може бути подана інакше:

I_б = α I_e. (2)

Коефіцієнт α < 1 називається коефіцієнтом передачі струму бази. Крім того, у кoлі колектора протікає зворотний струм колектора I_ко, співпадаючий за напрямком зі струмом I_к. Таким чином, остаточно одержуємо

I_к = α I_e + I_ко. (3)

Розрізняють три схеми вмикання транзистора: зі спільною базою (СБ), зі спільним колектором (СК) і зі спільним емітером (СЕ). Найбільш поширеною є схема зі спільним емітером (рис. 2), яка й досліджується в даній роботі. В цій схемі спільною точкою вхідного та вихідного кола є емітер, що й зумовило назву схеми. Основним параметром схеми є коефіцієнт підсилення струму β, який визначається співвідношенням

β = I_к / I_б = I_к / (I_e - I_к ) = α / ( 1 - α ), (4)

де α = I_к / I_e визначено співвідношенням ( 2 ). Крім коефіцієнта передачі струму, для розрахунків схем на транзисторах треба мати статичні характеристики. Cтатичною вхідною характеристикою є залежність струму бази I_б від напруги між базою та емітером при сталій напрузі між колектором та емітером, тобто I_б = f (U_вх) при U_вх=сonst. Типовий вигляд цих характеристик при різних напругах U_вх = 0, 2, 5, 8 В показано на рис.3. Статичною вихідною характеристикою схеми є залежність струму колектора I_к від напруги між колектором та емітером U_вих при сталому струмі бази, тобто I_к = f (U_вих) при I_б = const. Вигляд цих характеристик подано на рис. 3 для різних струмів I_б = 0, 20, 40, 60, 80 мкВ.

Порядок виконання роботи:

1. Ознайомтеся з установкою. Зберіть коло досліджень згідно зі схемою (Рис. 4) і отримайте дозвіл викладача на виконання вимірювань.

2. Зніміть експериментальні дані для побудови статичної вхідної характеристики I_б = f ( U_вх ) при U_вих = 0. Для цього потенціометри R₁ і R₂ виведіть в крайнє положення, щоб U₁ = U₂ = 0. Зробіть перший відлік струму бази I_б за мікроамперметром мкА. Залишаючи U₂ = 0, змінюйте за допомогою потенціометра R₁ напругу між емітером та базою транзистора U₁=U_вх , згідно з табл.1, і записуйте величину струму бази за показаннями мікроамперметра. Одержані значення струму бази занесіть до табл. 1.

3. Одержіть експериментальні дані для побудови статичної вхідної характеристики I_б = f ( U_вх ) при U_вих = 5 В. Для цього потенціометр R₁ виведіть в крайне положення U₁ = U_вх = 0, і за допомогою потенціометра R₂ установіть напругу між емітером та колектором U_вих = U₂ = 5 В.

Змінюючи потенціометром R₁ напругу між базою та емітером, згідно з табл. 1, зробіть відлік струму бази за мікроамперметром.

Рис.4.

Дані експерименту занесіть до таблиці 1.

Таблиця 1.

	Uвх = U1(мВ)
Uвих =U2=0B	Iб, мкА
Uвих =U2=5B	Iб, мкА

4. На міліметровому папері побудуйте дві статичні характеристики I_б=f(U_вх) при U_вих = 0 та U_вих = 5 В.

Завдання 2.

5. Отримайте експериментальні дані для побудови сімейства статичних вихідних характеристик I_к=f(U_вих) при I_б=const. З цією метою встановіть почергово I_б =50, 200, 300 мкА, у відповідності з табл. 2 змінюйте потенціометром R₂ напругу між колектором і емітером U_вих=U₂ і робіть відліки колекторного струму I_к за міліамперметром.

Одержані значення струму колектора занесіть до табл. 2.

Таблиця 2.

	Uвих = U2( В )
Iб = 50 мкА	Iк, мА
Iб = 200 мкА	Iк, мА
Iб = 300 мкА	Iк, мА

6. За експериментальними даними табл. 2 побудуйте на міліметровому папері сімейство статичних вихідних характеристик.

Дайте відповіді на запитання:

1. Що називають транзистором?

2. Який вигляд мають статичні вхідні та вихідні характеристики?

3. Як працює транзистор р-n-р-типу?

Лабораторна робота № 32.

Визначення горизонтальної складової напруженості магнітного поля

Землі.

Прилади та приладдя: тангенс-гальванометр, міліамперметр на 25 мА, джерело постійного струму, двополюсний перемикач, масштабна лінійка, реостат на 200 Ом.

Мета роботи: засвоїти один з методів вимірювання напруженості магнітного поля.

Коротка теорія та метод вимірювань

Земля являє собою величезний магніт, полюси якого розміщені біля географічних полюсів: біля північного географічного – південний магнітний полюс S, а біля південного географічного – північний магнітний полюс N. Силові лінії магнітного поля Землі поблизу екватора спрямовані горизонтально, а біля магнітних полюсів їх напрямок майже вертикальний. В інших точках земної поверхні вони йдуть під деяким кутом до горизонту. Вектор напруженості магнітного поля в довільній точці спрямований по дотичній до силової лінії. Величину проекції напруженості земного магнітного поля Н_з на горизонтальну площину називають горизонтальною складовою напруженості магнітного поля Землі Н. Напрямок цієї складової приймається за спрямованість магнітного меридіану, а вертикальна площина, що проходить через нього, називається площиною магнітного меридіану. Ще зовсім недавно вважали, що точне значення величин, що характеризують магнітне поле Землі, необхідне тільки в практиці водіння кораблів. Проте дослідження останніх років довели, що магнітне поле Землі впливає і на живі організми. Тому вміння визначити магнітне поле Землі стає необхідним і при розв’язані практичних задач біологічних наук.

В даній роботі проводиться вимірювання тільки горизонтальної складової напруженості поля Землі із застосуванням тангенс-гальванометра. Тангенс-гальванометр являє собою плоску вертикальну котушку радіусом r з відомим числом витків n=180. В центрі котушки в горизонтальній площині розміщено компас. Магнітна стрілка компасу у відсутність струму в котушці встановлюється по магнітному меридіану, тому що на неї діє тільки сила магнітного поля Землі. Поворотом котушки навколо вертикальної осі можна добитись суміщення площин котушки і магнітного меридіану. Якщо в цьому положенні котушки пропускати через неї постійний струм, то її магнітне поле, згідно з правилом правого свердлика, буде перпендикулярним до магнітного поля Землі і складеться з ним. Стрілка повернеться на деякий кут α. На магнітну стрілку діє два взаємно перпендикулярних поля, а отже, і дві сили, що відповідні горизонтальній складовій напруженості поля Землі Н та магнітному полю котушки зі струмом Н_T, як це показано на рис.1. Під дією цих полів магнітна стрілка встановиться за напрямком їх рівнодіючої.

Із рис.1 впливає, що tg α = Н_T /Н , або

Н = Н_T / tg α . (1)

Величина напруженості магнітного поля, створюваного в центрі колового витка зі струмом, обчислюється за співвідношенням, яке випливає із закону Біо-Савара-Лапласа: Н^/_T = I/2 r, де I - сила струму у виткові (ампери); r - радіус витка (метри ) . Котушка має n витків, тому напруженість її поля в n разів більша

Н_T = H^/_T n = I n /2 r. (2)

Підставивши значення Н_T із (2) в (1), одержимо робочу формулу

Н = I n /2r tgα. (3)

Напруженість магнітного поля в системі СІ вимірюється в амперах на метр (А/м).

Порядок виконання роботи:

1. Зберіть електричне коло за схемою (рис.2). При цьому тангенс-гальванометр встановлюйте якомога далі від інших приладів та феромагнітних матеріалів, щоб уникнути їх впливу на магнітну стрілку.

2. Повертаючи тангенс-гальванометр, встановіть площину котушки в площині магнітного меридіану. Повертаючи шкалу компасу сумістіть її нульову поділку з північним кінцем полюсу стрілки.

3. Встановіть повзунок потенціометра в положення, що відповідає мінімальній напрузі, яка знімається з нього. Переміщуючи повзунок потенціометра в бік збільшення напруги, підберіть такий струм у котушці, щоб відхилення магнітної стрілки було не менше 10-20˚. Коли стрілка компасу прийде в рівновагу, відлікуйте по шкалі кут відхилення стрілки α₁ і запишіть силу струму I.

4. Зберігаючи силу струму I, змініть перемикачем його напрямок на протилежний і виміряйте величину відхилення стрілки в протилежний бік (α₂). За кутами α₁ і α₂ знайдіть середнє значення кута відхилення α.

5 Змініть положення повзунка на потенціометрі в бік збільшення напруги і виміряйте відхилення стрілки при двох збільшених значеннях струму у котушці.

6. Виміряйте міліметровою лінійкою середній радіус витків котушки r.

7. Підставляючи послідовно середні значення α і I в формулу (3), знайдіть три значення Н.

Результати вимірювань і розрахунків подайте в табл.1 і знайдіть похибки вимірювань.

У звіті наведіть зразок розрахунків.

Таблиця 1.

№	I	α1	α2	tg α	Hi	ΔHi	ΔHi2
Середні значення

Дайте відповіді на запитання :

1. Які властивості магнітного поля Землі?

2. Які Вам відомі гіпотези про походження магнітного поля Землі?

3. Чому магнітна стрілка тангенс-гальванометра має малі розміри?

4. Чому вимірювання найліпше проводити при кутах відхилення, близьких до 45˚ ?

Лабораторна робота № 33.

Вивчення роботи трансформатора.

Прилади та приладдя: досліджуваний трансформатор, амперметри до 1 А та до 5 А, вольтметри до 250 В та до 15 В, реостат, вимикач.

Мета роботи: засвоїти метод визначення коефіцієнта трансформації в залежності від навантаження трансформатора.

Коротка теорія та методика вимірювань

Трансформатор являє собою залізне чи феритове осердя, на якому намотані дві обмотки з різним числом витків N₁ і N₂. Якщо на одну з них - первинну – подати змінну напругу:

U₁ = U₀₁ cos ωt, (1)

то в ній потече змінний струм, в осерді виникне магнітне поле, що створює змінний магнітний потік Ф. Згідно з законом Фарадея у другій - вторинній - обмотці з’являється ЕРС взаємоіндукції, на виході вторинної обмотки виникає напруга U₂, що змінюється з тою ж частотою, але в протилежній фазі до прикладеної

U₂ = U₀₁ cos ( ωt - π ). (2)

Вторинна обмотка може бути застосована як джерело змінного струму з напругою, що відрізняється від поданої на первинну обмотку. Отже, трансформатор є перетворювачем напруги. Теорія трансформатора надто громіздка, але основні кількісні співвідношення можна одержати на простій основі.

Нехай на первинну обмотку подана змінна напруга U₁, а вторинна обмотка розімкнута. Впливом вторинної обмотки на первинну в цьому випадку ми можемо знехтувати. Якщо знехтувати також тепловими втратами енергії в первинній обмотці, то за другим законом Кірхгофа в первинній обмотці сума напруг дорівнювати нулю, тобто виникаюча в ній ЕРС дорівнює за модулем і протилежна за фазою підведеній напрузі. З урахуванням закону Фарадея ЕРС індукції для первинної обмотки запишеться у вигляді

U₁ = - N₁ dФ / dt, (3) де Ф – магнітний потік у магнітопроводі, який пропорційний струмові I₁ первинній обмотці. Цей же магнітний потік пронизує витки вторинної обмотки. Отже, там виникає ЕРС індукції, яка при розімкненій вторинній обмотці дорівнює напрузі на її клемах

U₂ = - N₂ dФ / dt. (4)

Поділівши рівність (3) на (4), визначимо коефіцієнт трансформації як відношення напруги на первинній обмотці до напруги на вторинній обмотці:

k = U₁ / U₂ = N₁ / N₂, (5)

тобто він пропорційний відношенню чисел витків в обмотках.

Трансформатори можуть діяти як понижувальні (U₂<U₁), так і як підвищувальні (U₂ >U₁) напругу. В понижувальному трансформаторі первинною обмоткою є обмотка з більшим числом витків, а вторинна обмотка має менше число витків.

Якщо первинна обмотка вмикається до промислової мережі, то при навантаженій вторинній обмотці напруга на первинній обмотці залишається незмінною, тоді як напруга на вторинній обмотці буде змінюватися в залежності від величини навантаження. При збільшенні струму через вторинну обмотку величина навантаження зростає, а напруга, вимірювана на її виході, буде зменшуватись у зв'язку з ростом падіння напруги на внутрішньому опорі обмотки. Отже, в співвідношенні (5) величина U₁ залишається незмінною, тоді як U₂ зменшується. В зв’язку з цим коефіцієнт трансформації, що визначається відношенням U₁/U₂, буде зростати зі збільшенням навантаження трансформатора.

В даній роботі вивчається знижувальний трансформатор з коефіцієнтом трансформації близько 40. Індуктивність вторинної обмотки невелика, зсувом фаз між струмом і напругою в ній можна знехтувати. У зв’язку з цим потужність, споживану вторинним колом, можна подати як

P₂ = U₂ I₂, (6)

де I₂ - сила струму у вторинній обмотці; U₂ - напруга на її виході. Змінюючи величину навантаження P, можна прослідкувати за зміною коефіцієнта трансформації k.

Порядок виконання роботи:

1. Зберіть коло згідно зі схемою (рис.1) і одержіть дозвіл викладача на виконання вимірювань.

Рис. 1

2. Увімкніть первинну обмотку трансформатора в мережу змінного струму при розімкнутій вторинній обмотці. При I₂=0 виміряйте U₁ і U₂ і обчисліть коефіцієнт трансформації ненавантаженого трансформатора.

3. Встановіть повзунок реостата в середнє положення і увімкніть його як навантаження вторинної обмотки трансформатора.

4. Змінюючи опір реостата, встановіть струми I₂, що дорівнюють 1, 2, 3, 4 А і при кожному струмові запишіть значення U₁ і U₂.

5. За співвідношенням (5) і (6) обчисліть коефіцієнт трансформації і споживану потужність. Результати вимірювань і розрахунків занесіть до таблиці:

I2	U2	P	U1	k

6. На міліметрованому папері побудуйте графік залежності коефіцієнту трансформації від споживаної потужності P.

Дайте відповіді на запитання:

1. Яке явище лежить в основі дії трансформатора?

2. Чому зміна сили струму у вторинній обмотці приводить до непропорційної

зміни сили струму у первинній?

3. Чи може перегоріти первинна обмотка при короткому замиканні вторинної?

4. Змінювати силу струму і напругу можна за допомогою реостату і потенціометра. Яка ж необхідність виникла у трансформаторі?

Лабораторна робота № 34.

Визначення питомого заряду електрона методом магнітного фокусування.

Прилади та приладдя: електронно-променева трубка, вольтметр постійного струму на 100В, випрямляч на 1000В, реостат на 300Ом, випрямляч на 30В , амперметр.

Мета роботи: вивчення закономірностей руху часток у магнітному полі за допомогою електронно-променевої трубки.

Коротка теорія та методика вимірювань

Основна властивість магнітного поля полягає в тому, що в ньому діють сили на провідники зі струмом. За формулою Ампера на відрізок провідника, довжиною dL зі струмом I з боку магнітного поля з індукцією В діє сила