Дослідення корисної потужності та ккд системи електроживлення

ЗАГАЛЬНІ МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

При підготовці до виконання лабораторної роботи студент повинен: записати в робочий зошит назву роботи, мету, прилади та обладнання, виписати основні формули для обчислення, накреслити таблиці вимірювань.

На початку лабораторного заняття викладач перевіряє якість підготовки студентів. Якщо якість підготовки задовільна, студент одержує дозвіл виконувати лабораторну роботу. В протилежному випадку студент до лабораторного заняття не допускається.

Після виконання роботи результати вимірювань необхідно показати викладачеві з наведенням прикладу обчислень досліджуваної величини і одержати підпис викладача.

Якщо результати неправильні, то вимірювання або обчислення необхідно повторити, врахувавши зауваження викладача, і знову показати йому результати.

До кожної виконаної лабораторної роботи з фізики потрібно:

- скласти письмовий звіт;

- захистити його, відповівши на поставлені викладачем запитання;

Питання для захисту наведені в інструкціях до кожної лабораторної роботи.

Лабораторна робота № 201

ВИВЧЕННЯ ЕЛЕКТРОВИМІРЮВАЛЬНИХ
ПРИЛАДІВ

Мета роботи: ознайомитися з роботою основних електровимірювальних приладів, порівняти їх властивості та вивчити правила користування ними.

 

Теоретичні відомості

Електровимірювальними приладами називаються пристрої, за допомогою яких здійснюється порівняння електричної величини з її одиницею вимірювання.

Усі прилади розподіляють на два класи:

– прилади безпосередньої оцінки, в яких порівняння з мірою здійснюється при градуюванні приладу;

– прилади порівняння, в яких вимірювана величина безпосередньо порівнюється.

Електровимірювальні прилади безпосередньої оцінки класифікують за рядом ознак:

1) за принципом дії (за системою);

2) за видом вимірюваної величини (струм, напруга, потужність, опір та ін.);

3) за родом струму, який вимірюється (постійний, змінний однофазний і змінний трьохфазний);

4) за ступенем точності (класом точності);

5) за характером вимірювання (прилади з безпосереднім відліком та реєструючі);

6) за способом монтажу (щитові; пультові; встановлювані на кронштейнах);

7) за умовами роботи (стаціонарні, переносні, транспортні);

8) за способом захисту від магнітних та електричних полів (екрановані й астатичні).

За принципом дії прилади поділяють на чотири великих групи: електромеханічні; електротеплові, електрохімічні та електронні.

Оскільки найбільша частина електровимірювальних приладів безпосередньої оцінки належить до групи електромеханічних приладів, доцільно спинитись на основних системах цієї групи.

1. Магнітоелектрична система. Робота приладів цієї системи основана на взаємодіїмагнітного поля сталого магніту та рухомої котушки, по якій протікає вимірюваний струм.

Прилади цієї системи мають високу чутливість (можна вимірювати струми до 10^-14 А), споживають мало енергії, малочутливі до змін температури, мають рівномірну шкалу. Недоліки – можливість їх застосування тільки в колах сталого струму та чутливість до перевантажень.

2. Електромагнітна система. Прилади цієї системи містять нерухому котушку та рухомі осердя з феромагнетика, закріпленого на осі приладу. При проходженні струму через обмотку котушки осердя втягується в її неоднорідне магнітне поле та повертає пов'язану із ним стрілку.

Ці прилади надійні в експлуатації, стійкі до перевантажень, можуть застосовуватись для вимірювання струмів та напруги в колах як постійного, так і змінного струмів. Недоліки – нерівномірність шкали, менша точність, ніж у магнітоелектричних приладах, залежність показань від впливу зовнішніх магнітних полів.

3. Електродинамічна система. Принцип дії приладів оснований на взаємодії струмів, що течуть по двох рамках (котушках), з яких одна нерухома, а друга рухома.

Переваги приладів цієї системи – можливість вимірювання як сталих, так і змінних струмів, достатня точність, а їх недоліки – нерівномірність шкали, чутливість до впливу зовнішніх магнітних полів та до перевантажень.

Найсуттєвіші характеристики приладу розміщуються на його шкалі. До них належать:

1. Символ, який указує на вид вимірюваної величини:

А	— амперметр;	V	— вольтметр;
mА	— міліамперметр;	W	— ватметр;
µА	— мікроамперметр;		— омметр.

2. Символ, який указує на вид струму: постійний (—); змінний однофазний () чи змінний трифазний струм ().

3. Система приладу:

	магнітоелектрична;
	магнітоелектрична з випрямлячем;
	електродинамічна;
	електростатична;
	електромагнітна.

4. Напруга, якою випробувана ізоляція приладу: 2 кВ; 2, .

5. Нормальне положення приладу:

або - вертикальне;

або - горизонтальне.

6. Клас точності: 1,5; ; .

Важливі характеристики приладу - його межа вимірювання, чутливість та ціна поділки.

Межа вимірювання М — це найбільше значення величини, яке може бути виміряне приладом без його руйнування та із забезпеченням точності, гарантованої для даного приладу. Значення межі вимірювання дорівнює найбільшій цифрі на шкалі приладу з однією межею вимірювання, або вказана на перемикачі діапазонів багатомежного приладу.

Чутливістю S електровимірювального приладу називається відношення лінійного або кутового переміщення покажчика d до зміни вимірюваної величини dх, яка викликала це переміщення:

S = .

Якщо чутливість стала, то переміщення покажчика пропорційне до вимірюваної величини, тобто шкала приладу рівномірна.

Ціною поділки називають величину, яка дорівнює кількості одиниць вимірюваної величини, що припадає на одну поділку. Для визначення ціни поділки необхідно межу вимірювання розділити на повну кількість поділок шкали:

С = ,

де М — межа вимірювання; N — загальна кількість поділок шкали.

Значення вимірюваної величини дорівнює добутку ціни поділки на кількість поділок (відлік за шкалою приладу).

Кожний прилад здійснює вимірювання з деякою похибкою. Розрізняють основну похибку приладу, зумовлену внутрішніми властивостями та якістю приладу за нормальних умов роботи, і додаткові похибки, викликані порушенням нормальних умов роботи під дією зовнішніх факторів.

Зведена похибка — це відношення абсолютної похибки вимірювання до верхньої межі шкали приладу:

.

Залежно від величини цих похибок електровимірювальні прилади розподіляють за класом точності: 0,05; 0,1; 0,5; 2,0; 1,5; 2,5; 4,0. Клас точності визначає основну зведену похибку даного приладу, яка наводиться за шкалою у відсотках. За класом точності можна визначити максимально допустиму абсолютну похибку:

.

Розглянемо застосування деяких електровимірювальних приладів.

Амперметри — прилади, призначені для вимірювання сили струму. При вимірюванні їх умикають у коло послідовно. Для високої точності вимірювання внутрішній опір амперметра повинен бути значно менший, ніж опір кола. Для вимірювання сили струму, яка перевищує межу вимірювання амперметра, паралельно до нього підключають опір, який називається шунтом. У колах змінного струму це здійснюється за допомогою трансформатора струму.

Вольтметри — прилади, призначені для вимірювання напруги. Вони вмикаються паралельно до ділянки, на якій вимірюється напруга. Опір вольтметра повинен бути набагато більшим, ніж опір ділянки кола. Для розширення меж вимірювання вольтметра необхідно в коло послідовно з ним увімкнути додатковий опір, а в колах змінного струму застосовують трансформатор напруги.

Омметри — прилади, призначені для вимірювання опору, шкала яких проградуйована в одиницях опору. Омметр являє собою міліамперметр із вміщеним джерелом постійного струму.

Ампервольтметри (авометри) — універсальні вимірювальні прилади, які дозволяють виміряти силу струму, напругу постійного та змінного струму, електричний опір. Для кожного виду вимірів авометри мають декілька меж вимірювання.

Для реєстрації результатів вимірювань використовують самописні прилади.

У наш час усе більше застосування мають цифрові вимірювальні прилади, в яких перетворення сигналу в його числове значення здійснюється аналого-цифровим перетворювачем.

 

Порядок виконання роботи

1. Для наданого викладачем приладу розшифрувати всі позначення на його передній панелі.

2. Визначити ціну поділки.

3. Визначити чутливість приладу.

4. За завданням викладача виміряти деяку величину даним приладом.

5. Визначити абсолютну та відносну похибки вимірювання.

Контрольні питання

1. Який принцип класифікації електровимірювальних приладів?

2. Що називають чутливістю приладу, ціною поділки шкали?

3. Яке призначення амперметрів і як їх вмикають в електричне коло?

4. Яке призначення вольтметрів і як їх вмикають в електричне коло?

5. Як розширити межі вимірювання електровимірювальних приладів?

6. Що називають абсолютною та зведеною похибкою приладу?

 

 

Лабораторна робота № 221

Теоретичні відомості

Електричним струмом називають усякий упорядкований рух електричних зарядів. Для появи й існування електричного струму необхідні:

1. Наявність у середовищі електричних зарядів, які могли б у ньому переміщатись на макроскопічні відстані. В металах такими зарядами є електрони, в електролітах (рідких провідниках) позитивні і негативні іони, у газі - позитивні іони та електрони.

2. Джерело неелектричних (сторонніх) сил, енергія якого витрачалася б на переміщення електричних зарядів.

Електричний струм характеризують: сила струму та густина струму.

Силою струму називають скалярну фізичну величину, яка дорівнює відношенню електричного заряду q, що пройшов через поперечний переріз провідника до часу проходження:

.

Якщо сила стуму не змінюється з часом, то такий струм називають постійним.

Густина струму - це вектор, напрямлений вздовж струму, що чисельно дорівнює відношенню сили струму до площі перерізу провідника, проведеного перпендикулярно до напряму струму:

.

Джерелом постійного електричного струму в даній роботі є акумуляторна батарея, в якій робота сторонніх сил переміщення зарядів виконується за рахунок енергії, яка виділяється при хімічних процесах розчинення електродів у електроліті.

Акумулятор характеризується електрорушійною силою (ЕРС) та внутрішнім опором. Електрорушійна сила дорівнює відношенню роботи сторонніх сил по переміщенню зарядів до величини цього заряду. ЕРС вимірюється у вольтах.

.

Якщо електричний струм постійний, а провідники, що його утворюють, нерухомі, робота сторонніх сил повністю витрачається на нагрівання провідників. Кількість теплоти що виділяється в провідниках, визначається законом Джоуля-Ленца.

Кількість теплоти, що виділяє струм у провіднику, дорівнює добутку квадрата сили струму, опору провідника та часу його проходження:

.

Кількість теплоти, що виділяється в одиниці об’єму провідника за одиницю часу, називають густиною теплової потужності. Її величина визначається законом Джоуля-Ленца у диференціальній формі

,

де - питома електропровідність,

Е - напруженість електричного поля,

- питомий опір.

Корисна потужність струму, яка виділяється в зовнішній частині кола на опорі R,

.

За законом Ома для замкненого кола сила струму

,

де ε - ЕРС джерела;

r - внутрішній опір джерела струму,

R - зовнішній опір кола.

Тоді

.

Потужність джерела струму визначається кількістю теплоти, що виділяється не тільки у зовнішній частині кола, а й у самому джерелі струму.

або .

Корисна потужність залежить від опору зовнішньої та внутрішньої частини кола. Якщо опір зовнішнього кола дорівнює опору джерела, то корисна потужність найбільша

.

При практичному використанні джерел струму важлива не тільки потужність, а й ККД; оскільки струм проходить у середині джерела, то деяка потужність витрачається некорисно на виділення теплоти у середині джерела. ККД джерела струму дорівнює відношенню потужності, що виділяється в зовнішній частині кола, до потужності джерела:

або .

Залежність потужності і ККД від опору R зовнішньої частини кола зображена на рис. 221.1.

При короткому замиканні (R=0) потужність, що віддає джерело, максимальна, але вона витрачається на нагрівання джерела струму, а тому =0. При R=r можна отримати найбільшу корисну потужність, що виділяється в джерелі, а тому =0,5. Коли ж ККД близький до одиниці, то корисна потужність N мала порівняно з максимальною, яку могло б розвинути дане джерело.

Рис. 221.1

Таким чином, умови отримання найбільшої корисної потужності і найбільшого ККД несумісні. В електроенергетиці основною вимогою є отримання високого ККД, а для цього необхідно, щоб опір джерела струму був малим порівняно з опором зовнішньої частини кола. У випадку короткого замикання (R=0) уся потужність виділяється у середині джерела.

Це призводить до перегріву внутрішніх частин джерела і виходу його з ладу. Тому короткі замикання потужних джерел (динамо-машини, акумуляторної батареї) недопустимі.

 

Опис установки

 

Джерелом струму є два лужних акумулятори. Опір акумуляторів малий (такого ж порядку, як і опір провідників, що з’єднують прилади), тому для створення можливості проведення експериментів внутрішній опір джерела струму штучно збільшено шляхом включення між елементами резистора R. Зовнішній опір кола можна змінювати від 0 до 10000 Ом, шляхом перемикання декадників у магазині опорів R. Струм вимірюється міліамперметром.

 

Порядок виконання роботи

1. Зібрати установку згідно зі схемою (рис. 221.2).

2. Запросити викладача або лаборанта перевірити зібрану схему.

3. Замкнути ключем К електричне коло і виміряти силу струму в колі для 10 різних значень зовнішнього опору, починаючи з R = 0.5r. Результати вимірювань записати у таблицю 221.1.

4. Відключити акумулятор.

5. Обчислити для кожного опору:

– корисну потужність

– ККД

.

6. Побудувати на одних осях координат графіки залежності корисної потужності та ККД системи електроживлення від опору навантаження.

 

Таблиця 221.1

№ п/п	R, Ом	І, А	РК, Вт	η
Сер.

 

 

Контрольні запитання

 

1. Сформулюйте умови існування електричного струму.

2. Назвіть основні характеристики: електричного струму, джерела електричного струму.

3. Яку величину називають ЕРС джерела струму?

4. Сформулюйте і запишіть математично закони Ома й Джоуля-Ленца в диференціальній та інтегральній формах.

5. Запишіть формули потужності, яка виділяється в зовнішній частині кола і в усьому колі.

6. Що називається ККД системи електроживлення?

7. За яких умов досягається максимум корисної потужності системи електроживлення?

8. Накресліть графік залежності ККД і корисної потужності системи електроживлення від величини опору навантаження.

 

Лабораторна робота № 222

Теоретичні відомості

 

Німецький фізик Ом дослідним шляхом установив, що струм, який протікає по однорідному провіднику, прямо пропорційний напрузі й обернено пропорційний опору провідника:

, (1)

де I - сила струму, А; U - напруга, В; R - опір, Ом.

Для замкненого кола закон Ома має вигляд

,

де ε - ЕРС,

R - опір зовнішньої частини кола;

r - внутрішній опір джерела струму.

Опір однорідного провідника

,

де l - довжина провідника;

- питомий опір матеріалу провідника;

S - площа його поперечного перерізу.

Питомий опір залежить від матеріалу і температури провідника. Це одна з важливих фізичних характеристик речовини, яка зведена у відповідні таблиці, отримані експериментальним шляхом (додаток І). Найменший питомий опір мають платина, срібло, золото, мідь, алюміній. Два останні метали широко застосовуються в техніці в якості електропровідних матеріалів. Відносно високий питомий опір мають вольфрам, залізо та його сплави з нікелем, хромом (ніхром), які застосовуються для прямого перетворення електричної енергії в тепло (спіралі електроламп, нагрівники в електропечах).

Питомий опір провідників лінійно залежить від температури з досить великою точністю і в широкому діапазоні температур:

,

де - температурний коефіцієнт опору;

- питомий опір при температурі 0 °С;

t - температура провідника, °С.

Залежність опору провідників від температури використовується для вимірювання температури, за допомогою термометрів опору (терморезисторів). Це найточніший метод вимірювання температури в діапазоні від –170 до +660 градусів за Цельсієм. В якості матеріалу термометрів опору використовують мідь і платину.

Закон Ома був виведений і аналітично в працях Друде і Лоренца. Із застосуванням законів механіки та молекулярно-кінетичної теорії газів для руху електронів у металах під дією електричного поля було отримано закон Ома в диференціальній формі

,

де j - густина струму в провіднику,

- питома електропровідність провідника,

Е - напруженість електричного поля.

Питома електропровідність за класичною теорією провідності металів дорівнює

,

де n - концентрація вільних електронів;

e - заряд електрона;

< > - середня довжина вільного пробігу електронів;

m - маса електрона;

<u> - середня швидкість теплового руху електрона.

Складні (розгалужені) електричні кола значно легше розрахувати, якщо скористатись правилами Кірхгофа.

Перше правило Кірхгофа, що випливає із закону збереження зарядів: алгебраїчна сума струмів у вузлі дорівнює нулю:

.

Вузлом називають будь-яку точку розгалуженого кола, в якій збігається більше від двох провідників. Струм, що йде до вузла, вважається позитивним і навпаки.

Друге правило Кірхгофа, що випливає з закону збереження енергії: алгебраїчна сума падінь напруги в контурі дорівнює алгебраїчній сумі ЕРС у цьому контурі:

.

Контур - це довільна послідовність ділянок електричного кола, що починається і закінчується в одній точці.

Добуток сили струму в ділянці кола на її електричний опір називають падінням напруги на ділянці кола. Падіння напруги вважається позитивним, якщо струм збігається з вибраним напрямком обходу контуру.

Для розрахунків розгалужених електричних кіл потрібно, використовуючи перше та друге правила Кірхгофа, скласти систему рівнянь необхідної кількості (за кількістю невідомих величин). При цьому перше правило Кірхгофа можливо використати на один раз менше від кількості вузлів у схемі.

Розв’язати систему рівнянь. Якщо виявиться, що окремі струми менші від нуля, то це свідчить про протилежний від вибраного напрям його проходження.

У фізиці й електротехніці широко використовують метод вольт-амперної характеристики (ВАХ). ВАХ називають залежність струму в електротехнічному елементі від напруги на ньому: І=f(I). Ця характеристика, як правило, відображається у вигляді графіка, котрий і називають вольт-амперною характеристикою.

Теорія методу

 

При використанні методу ВАХ виникає потреба у точних вимірюваннях сили струму і напруги безпосередньо на досліджуваному елементі. Для цього використовують два варіанти з’єднання приладів: для точного вимірювання напруги (рис. 222.1, а) і для точного вимірювання струму (рис. 222.1, б)

а) б)

Рис. 222.1

 

При підключенні за схемою (рис. 222.1, а) точно вимірюється напруга, а виміряний струм дорівнює сумі струмів, що проходять через елемент і вольтметр.

За схемою (рис. 222.1, б) точно вимірюється струм, що проходить через елемент, а виміряна напруга дорівнює сумі падінь напруги на амперметрі та елементі: Якщо опір вольтметра значно більший від опору елемента, а опір амперметра значно менший від опору елемента, то результати будуть достатньо точними без урахування опорів вимірювальних приладів. У деяких випадках ця умова не виконується, тому потрібно підібрати відповідну схему і врахувати реальні опори вольтметра й амперметра.

Знаючи точні значення опору вольтметра та амперметра , можна обчислити дійсну силу струму в елементі за схемою а) і спад напруги на елементі - за схемою б).

На підставі закону Ома опір елемента

.

При використанні схеми з точним вимірюванням напруги (рис. 222.1, а) опір елемента

, (1)

де - внутрішній опір вольтметра (у приладі =2500 Ом).

U - покази вольтметра,

I - амперметра.

При використанні схеми з точним вимірюванням струму (рис. 222.1, б) опір елемента

, (2)

де R_А - внутрішній опір амперметра (у приладі R_А=0,15 Ом).

Без урахування опорів приладів приблизне значення опору

. (3)

Порівнюючи вирази (1), (2) з (3), бачимо, що за схемою з точним вимірюванням напруги приблизне значення опору трохи більше, ніж дійсне, а за схемою з точним вимірюванням струму - трохи менше.

Коли невідомі опори амперметра і вольтметра, доцільно провести вимірювання за обома схемами, а опір визначають як середнє арифметичне з обчислених значень вимірювань за обома схемами.

 

Опис приладу

 

Прилад (рис. 222.2) складається з підставки 1, стійки 2, на якій нанесено метричну лінійну шкалу 3, двох нерухомих кронштейнів 6, між якими натягнуто дріт 4. Кронштейн 7 переміщується вздовж стійки і за допомогою рухомого контакту з’єднує провід з електричною схемою вимірювань, умонтовану в блок 8. Цей блок складається з джерела постійного струму з регулятором струму, міліамперметра, вольтметра та кнопки вибору схеми вимірювань. Призначення управляючих кнопок пояснено рисунками на передній панелі блока, які виконані відповідно до міжнародних стандартів і не потребують додаткових роз’яснень. Струм (напруга) регулюється рукояткою потенціометра на передній панелі.

Порядок виконання роботи

 

1. Виміряти мікрометром діаметр дроту.

2. Увімкнутии прилад, натиснувши клавішу "СЕТЬ" (при цьому загориться неонова лампочка).

3. Натиснути на ліву кнопку, підключивши дріт до схеми вольтамперметра, при цьому стрілки вимірювальних приладів відхиляються.

4. Пересунути рухомий контакт на 0,5 – 0,7 довжини дроту від підставки, виміряти за шкалою довжину l дроту.

5. Вибрати схему вимірювань: з точним вимірюванням струму, натиснувши центральну кнопку.

6. За допомогою потенціометра (регулятора струму) встановити довільну напругу.

7. Виміряти напругу і струм, а їх значення записати у таблицю.

8. Змінюючи напругу, виконати 3-5 вимірювань для різних значень напруги (бажано змінювати напругу до максимального можливого значення для даної довжини дроту).

9. Змінити схему підключення приладів на точне вимірювання напруги.

10. Повторити пп. 6-8 для схеми з точним вимірюванням напруги.

11. Вимкнути прилад, змінити довжину дроту і виміряти її.

12. Ввімкнути прилад і повторити пп. 5-10 для нової довжини дроту.

 

Таблиця 222.1

№ п/п	l 1 = ____ м	l 2 = ____ м
U, B	I, мA	R, Ом	, Ом×м	U, B	I, мA	R, Ом	, Ом×м
Сер.

 

13. Побудувати ВАХ на одних осях координат та зробити висновок.

14. Обчислити точне значення опорів дроту за формулами (1) або (2), залежно від вибраної схеми вимірювань і приблизне значення за формулою (3).

15. Знайти середнє арифметичне значення опору для обох довжин проводу при обох схемах включення приладів.

16. Обчислити питомий опір дроту за формулою

, де .

17. Визначити за результатами обчислень середнє значення питомого опору матеріалу і порівняти його з табличними значеннями питомого опору матеріалів, установити, з якого матеріалу виготовлений дріт.

 

Контрольні запитання

1. Сформулювати закон Ома для ділянки кола і замкненого кола.

2. Від чого залежить опір дроту?

3. Як залежить питомий опір провідників від температури, та яким чином використовується ця залежність?

4. Записати математично закон Ома в диференціальній формі й пояснити його.

5. Сформулювати правила Кірхгофа, дати визначення контуру, вузла, падіння напруги, показати застосування правил Кірхгофа для обчислення вузлів і контурів.

6. Яким чином можна зменшити похибки вимірювань опорів методом вольтамперметра?

Лабораторна робота № 230

Теоретичні відомості

У металах валентні електрони слабо зв’язані з атомами й утворюють своєрідний електронний газ, який заповнює простір між вузлами кристалічної ґратки. Коли електрон виходить із металу, на його поверхні виникає позитивний індукований заряд, унаслідок чого між електроном і металом виникає сила тяжіння, яка перешкоджає віддаленню електрона. Крім того, електрони, які вже вийшли з металу, утворюють електронну хмарку, електричне поле котрої також перешкоджає подальшому виходові електронів з металу. Поблизу поверхні металу утворюються сили, які діють на електрони і напрямлені у середину металу. Таким чином, для виходу електрона з металу у вакуум необхідно виконати роботу, яку називають роботою виходу. Робота виходу залежить від природи металу та стану його поверхні. Робота виходу - одна з важливих електрофізичних властивостей матеріалу, визначається експериментально. Її значення зведені у відповідні таблиці. Звичайно в таблицях значення роботи виходу наводиться у електрон-вольтах (еВ). 1еВ=1,69×10^-19 Дж.

Електрон провідності може покинути метал, якщо енергія його теплового руху більша за роботу виходу. При кімнатних температурах електрони практично не виходять з металу, ймовірність їх виходу суттєво зростає з підвищенням температури.

Явище випускання електронів поверхнями нагрітих твердих тіл і рідин унаслідок їх теплового руху називається термоелектронною емісією.

Термоелектронну емісію спостерігають і вивчають за схемою (рис. 230.1). Якщо катод холодний, то струм у колі не виникає, бо у вакуумі відсутні заряджені частинки. Якщо розігріти катод, то з його поверхні почнуть вилітати електрони. При подачі на анод позитивного потенціалу, а на катод – негативного - в колі виникне струм. При протилежній полярності струм відсутній. Це свідчить про те, що нагріта поверхня катоду випромінює негативні заряди – електрони. Таким чином пояснюється принцип дії двоелектродних електронних ламп-діодів для випрямлення змінного струму.

Сила термоелектронного (анодного) струму в колі залежить від різниці потенціалів між катодом і анодом (анодної напруги). Залежність анодного струму в діоді від анодної напруги при сталій температурі катода називається вольт-амперною характеристикою. Типовий вигляд такої залежності для різних температур катодів показаний на рис. 230.1.

Рис. 230.1

 

При малій напрузі не всі електрони, які випускає катод, долітають до анода, частина їх утворює електронну хмарку. Електронна хмарка перешкоджає емісії електронів у їх русі до анода. При збільшені анодної напруги сила струму збільшується, густина електронної хмарки зменшується, зменшується і її вплив на анодний струм, реалізується друга ділянка вольт-амперної характеристики з пропорційною залежністю між анодною напругою та анодним струмом. Коли потенціал аноду стає настільки великим, що всі електрони, які випускає катод, потрапляють на анод, струм стає максимальним і вже не залежить від напруги. Таке явище називається насиченням, а струм - струмом насичення. Насичення пояснюється тим, що збільшення анодної напруги, а відповідно і швидкості руху електронів між катодом та анодом, уже не можуть збільшити кількості перенесених зарядів, яка лімітується кількістю електронів що випромінює поверхня катода. Підвищення температури катода збільшує емісію електронів і відповідно силу струму насичення. Це супроводжується певним зростанням анодної напруги, при якій установлюється струм насичення.

В електротехніці використовуються багато-електродні лампи для підсилення струму і генерації електромагнітних коливань, наприклад, тріод (рис. 230.2, а). Введення в двохелектродну лампу третього електрода - сітки - дозволяє регулювати силу струму, що проходить через лампу. В цьому випадку анодний струм є функцією двох напруг (на сітці U_с і на аноді U_A), які можна змінювати незалежно одна від одної. Криві залежності сили анодного струму від напруги на сітці при сталому потенціалі анода називають сітковими характеристиками (рис. 230.2, б).

Використовуючи сіткові характеристики тріода при різних анодних напругах, визначають параметри лампи.

Коефіцієнт підсилення лампи - це величина, яка показує, у скільки разів сильніше діє сіткова напруга на анодний струм порівняно з анодною напругою:

при . (1)

Величина

при (2)

характеризує швидкість зміни анодного струму при зміні потенціалу сітки або крутизну характеристики. Крутизна характеристики дорівнює тангенсу кута нахилу сіткової характеристики в розглядуваній точці.

Величина, яка чисельно дорівнює відношенню зміни анодної напруги до відповідної зміни анодного струму при сталому потенціалі на сітці, називається внутрішнім опором

при . (3)

Опис установки

Принципова схема установки зображена на рис. 230.3. Схема має два електричні кола, напруга в яких регулюється за допомогою реостатів, увімкнених як потенціометри. У кожному колі є амперметр і вольтметр відповідної чутливості. Робочим елементом установки є тріод, параметри якого досліджуються у даній лабораторній роботі. Анодне коло живиться від високовольтного блока, анодний струм вимірюється мікроамперметром, анодна напруга - вольтметром. Величина анодної напруги регулюється потенціометром