К сожалению, основные параметры, входящие в теоретические расчеты (величины $\varphi_{m}$, $x_{m}$, $U_{{кн}}$), непосредственному измерению не поддаются. Кроме того, характеристики реального диода изменяются в зависимости от времени работы и хранения, что не отображается расчетными теориями. Поэтому достижимая точность определения соответствующих величин в условиях лабораторных работ не превышает 10 — 20. К тому же контактная разность потенциалов $U_{{кн}}$ между электродами диода есть величина неопределенная, поскольку она зависит от состояния электродов лампы. В заводских условиях в вольфрамовый катод добавляются примеси, уменьшающие работу выхода электронов с 4,54 эВ до 2,6 эВ. По мере эксплуатации лампы примеси деградируют за счет испарения и миграции по электродам, из-за чего работа выхода возрастает. Как результат, контактная разность потенциалов между катодом и анодом U кн может изменяться в пределах $U_{{кн}}=0-2$ В. Это приводит к необходимости сдвигать начало отсчета потенциала анода, принимая за его ноль значение $U_{{изм}}^{0}=U_{{кн}}$ , чтобы из задаваемого источником потенциала анода $U_{{изм}}$ (на рис. 9 он обозначен как $U_{{БП}}$) получать чистый потенциал анода $U_{a}$ относительно катода, а именно $$ U_{a}=U_{{изм}}{}U_{{изм}}^{0}. $$ Этот сдвиг оказывается существенным для всех измерений в области малых потенциалов анода. Поэтому мы начнем выполнение заданий с определения контактной разности потенциалов следующим образом.

Заметим, что в соответствии с формулой $$ (*)\,\,\, I=I_{0}F(\frac{-eU_{a}}{kT})\equiv2C\int_{\eta}^{\infty}y^{2}e^{-y^{2}}dy=C\left[\eta e^{-\eta^{2}}+\int_{\eta}^{\infty}e^{-y^{2}}dy\right], $$ ток диода $I$ зависит только от температуры катода $T$, т.~е. от температуры электронного газа, ричардсоновского тока насыщения диода $I_{0}$ и потенциала анода относительно катода $U_{a}$, в котором содержится величина контактной разности потенциалов катод–анод $U_{{кн}}$: $I=I_{0}F(\frac{eU_{a}}{kT}).$

В процессе измерения ВАХ при фиксированном токе накала температура катода практически постоянна, ток насыщения постоянен и, если величина КРП определена правильно, экспериментально измеренный ток диода должен соответствовать формуле (*). Если, например, мы будем вычислять из ВАХ по этой формуле темпера- туру катода, она должна получиться одной и той же для всех точек ВАХ в области запирания тока диода потенциалом анода! Если же КРП определена неверно, вычисленная температура будет разной для разных точек ВАХ в этой области, что и укажет нам на ошибку в величине КРП. Именно это обстоятельство мы и используем для нахождения КРП последовательными приближениями и одновременного определения температуры электронного газа!\footnote{Этот метод разработан в 2001 г. студентом И. О. Орловым в курсовой работе ``Изучение распределения термоэлектронов по скоростям''.} Но для этого, кроме подробного измерения ВАХ в области запирания тока диода (области I и II на рис. 7, б), нам нужно будет экспериментально определить ток насыщения ВАХ (ток $I_{0}$ на рис. 7,~б). Поскольку этот ток не измеряется впрямую, а определяется приближенно из графика ВАХ, необходимо будет еще проверить влияние погрешности его измерения на точность определения КРП и температуры электронного газа.

Соберите схему (рис. 9) и убедитесь в правильной полярности подключения п/п диода (7) в цепи накала. После проверки схемы преподавателем установите на генераторе (1) частоту 400\textendash 500 Гц и, увеличивая амплитуду выходного сигнала генератора, установите ток накала I н = 80 mA. Будем измерять вольт-амперную характеристику диода I(U изм ) по точкам, начиная с положительных потенциалов анода: в интервале 2 В U изм \textless{} 30 В через 3 В — для нахождения I 0 и в области U мин U изм 2 В через 0,1 В до предельно возможного запирающего (задерживающего) потенциала анода U мин - (2 — 6) В, соответствующего минимально измеряемому значению анодного тока (1 — 10 нА), ограниченному чувствительностью приборов или шумами. При выполнении этой части задания необходимо поменять полярность включения источника напряжения U (2), чтобы провести измерения при отрицатель- ном потенциале анода. Эти измерения следует повторить для токов накала 90 и 100 mA. Во время измерений контролируйте выполнение условия (13), учитывая, что R = 240 Ом. Это условие может ограничить возможность измерения положительной ветки ВАХ при больших токах накала и больших потенциалах насыщения тока анода. Отметим здесь, что КРП можно определять и при малых токах накала.

Результаты измерений зависимости тока диода I от измеряемого потенциала анода U изм внесите в EXCEL в виде таблицы, аналогичной приведенной ниже. Далее в линейном масштабе строится график ВАХ, т. е. график I(U изм ), и из него в ячейку, расположенную правее левой нижней ячейки (где занесен текст ), вносится значение тока насыщения диода I 0 , определенное из этого графика. В верхнюю правую ячейку таблицы заносится подбираемое Вами значение контактной разности потенциалов U 0изм , в диапазоне 0 — 2 В, начиная, например, с 2 вольт. Эти значения I 0 и U 0изм используются далее при выполнении заданий (см. ниже).

Назад к описанию установки или далее к заданию