Мета роботи:  ознайомитись з методикою і технікою проведення дослідів при вивченні явища проходження електричного струму у вакуумі, ознайомитись з будовою і роботою електронного прожектора, на прикладі вакуумного діода показати явище термоелектронної емісії, закріпити уявлення про термоелектронну емісію і показати односторонню провідність вакуумного діода, роз’яснити принцип дії та показати схему включення люмінесцентної лампи.
Обладнання: діод електровакуумний демонстраційний; тріод електровакуумний демонстраційний; реостат; електрометр; вимикач; розрядник, палички ебонітова і скляна; випрямляч універсальний ВУП, гальванометр-амперметр демонстраційний; гальванометр-вольтметр демонстраційний; резистор на 20-40 кОм; динамічний гучномовець; програвач з грампластинкою; кондуктор кульовий на ізольованій підставці; трансформатор універсальний і дросельна котушка до нього; проекційний ліхтар; трубка електронно-променева демонстраційна; електронна лампа 6Ц4П або 6Ц5С на панелі з клемами; авометр шкільний,  міліамперметр М45М з верхніми межами вимірювання 1,5-7,5-15-30 мА; електрична лампа розжарення на 15–40 Вт; станіоль; демонстраційний макет «Принцип роботи діода»; джерело постійного струму на 6 в; розрядна трубка з двома електродами;  вакуумний шланг;  індуктор високовольтний; штатив з муфтою і лапкою; вакуумна тарілка з скляним ковпаком; вакуумний насос із шлангом; дві дротини довжиною 120—140 мм, діаметром 1–2  мм; ящик-підставка; шкала пустот; кілька гейслерових трубок; високочастотний трансформатор Тесла; набір безелектродних трубок (3 шт.).

Теоретичні відомості
При виконанні демонстраційних дослідів в темі «Електричний струм у розріджених газах і вакуумі» треба мати на увазі таке:
1. Розрідження, якого можна досягти насосом системи Комовського,— 3,5 мм.рт.ст. Вищого вакууму досягають за допомогою ротаційних масляних дифузійних насосів. Поршневий насос Шінца і водоструминні насоси для утворення таких розріджень не придатні.
2.    Джерела високої напруги, які застосовуються в дослідах до цієї теми, повинні давати постійний (хоча б пульсуючий струм). Використання високої змінної напруги допустиме лише в окремих випадках.
3.    У всіх випадках треба прагнути до виконання потрібного ефекту при мінімальних напругах і величинах струмів, щоб запобігти пробою ізоляції і псування приладів (особливо вакуумних).
4.    Усі типи вакуумних розрядних трубок треба тримати під напругою протягом мінімального часу.
5.    Щоб усунути небажане опромінювання учнів і вчителя при проведенні дослідів з трубкою для демонстрування відхилення катодних променів, вакуумною трубкою з зіркого, вакуумною трубкою з млинком, ці прилади треба розміщати від них на відстані не менш як 3 м.
6.    Усі з'єднувальні провідники повинні бути товстими (0,8—1,0 мм) і обов'язково одножильними. Багатожильні провідники провисають, що спричинює замикання високої напруги на ті частини приладів, які не повинні бути під струмом.
7.    Особливо обережно треба діяти, приєднуючи провідники до ковпачків вакуумних приладів. Відривання ковпачка означає псування приладу. Тут не можна допускати ніяких закручувань, а треба зігнути кінець провідника гачечком і вставити в петельку ковпачка.
8.    Значна кількість демонстрацій до цієї теми потребує часткового або повного затемнення аудиторії.
У електронно-променевих трубках, електронних лампах приладів радіоелектроніки електрони рухаються у вакуумі. Як же дістають потоки електронів у вакуумі? Які влас¬тивості вони мають?
Самостійний газовий розряд у скляній трубці з двома електро¬дами може відбуватися лише за умови, що тиск газу не дуже малий. Якщо тиск газу менший за 0,0001 мм.рт.ст., то розряд припиняється, тобто струм починає дорівнювати нулю, хоча напруга на електродах трубки не дорівнює нулю. Це відбувається внаслідок того, що атомів стає дуже мало, щоб підтримувати струм за рахунок іонізації електронним ударом і вибивання іонами електронів з катода. Розріджений газ не проводить струму і при дальшому змен¬шенні тиску. Продовжуючи відкачувати газ, можна дістати таку його концентрацію, при якій молекули встигають пролітати від однієї стінки трубки до другої, жодного разу не зіткнув¬шись одна з одною. Такий стан газу в трубці називають вакуумом.
Розріджений газ перетворюється в провідник внаслідок дії іонізатора. Якщо газу так мало, що можна говорити про стан вакууму, то провідність між-електродного проміжку можна забезпечити тільки за допомогою введеного у трубку джерела заряджених частинок. Найчастіше дія такого джерела грунтується на властивості тіл, нагрітих до високої температури, випускати електрони. Яви¬ще термоелектронної емісії дуже широко застосовується на практиці. У більшості сучасних електронних вакуумних приладів джерелом заряджених частинок є нагрітий катод.
Явище термоелектронної емісії приводить до того, що нагрі¬тий металевий електрод, на відміну від холодного, безперервне випускає електрони,  які утворюють навколо нього «електронну хмару». При цьому електрод заряджається позитивно, і під впливом електричного поля електрони з хмари частково повертаються на електрод. У рівноважному стані кількість електронів, які залишили електрод за секунду, дорівнює кількості електронів, щ повернулися  на  електрод  за  цей  час.  Чим  вища  температур металу, тим вища густина електронної хмари.
Відмінність між гарячим і холодним електродами, впаяними в посудину, з якої викачане повітря, зумовлює односторонню про¬відність електричного струму між ними. Якщо електроди приєд¬нати до джерела струму, між ними виникає електричне поле. Коли позитивний полюс джерела приєднано до холодного елект¬рода (анода), а негативний до нагрітого (катода), напруженість електричного поля напрямлена до нагрітого електрода. Під дією цього поля електрони частково залишають електронну хмару і рухаються до холодного електрода. Електричне коло замикає¬ться і в ньому установлюється електричний струм. У випадку протилежного вмикання джерела напруженість поля напрямлена від катода до анода. Електричне поле відштовхує електрони хмари назад до катода. Коло буде розімкнутим, і струму в ньому не буде.
Односторонню провідність використовують в електрон¬них приладах з двома електродами — вакуумних діодах.Будова сучасного вакуумного діода така. У балоні із скла або металокераміки, з якого викачане повітря до тиску 10-6 — 10-7 мм. рт. ст., розміщено два електроди. Один з них — катод — має вигляд вертикального металевого циліндра, покритого шаром оксидів лужноземельних металів — барію, стронцію, кальцію. Такий катод називають оксидним. Під час нагрівання поверхня оксидного катода виділяє значно більше електронів, ніж поверхня катода з чистого металу. Всередині катода розміщено ізольований провідник, який нагрівається змінним струмом. Нагрітий катод випускає електрони, що дося¬гають анода, коли він має вищий потенціал, ніж катод. Анод лампи являє собою круглий або овальний циліндр, що має спільну вісь із катодом.
Вольт-амперна характеристика діода. Істотні властивості будь--якого електронного приладу відображає його вольт-амперна характеристика, тобто залежність сили струму від різниці  потенціалів на клемах цього приладу. Дістати вольт-амперну характеристику діода можна за допомогою кола, схему якого подано на мал.  Б.
Якщо катод лампи діод нагріти і між катодом і анодом збільшувати напругу Ua, то сила струму в анодному колі Ia буде зростати за нелінійним законом. Починаючи з деякої анодної напруги, для неоксидованих катодів сила струму  не  буде  зростати  ( струм  насичення);   для   оксидованих
катодів досягти насичення при нормальному розжаренні катода не можна. Лампа характеризується внутрішнім опором R1. Його можна визначити за прямолінійною ділянкою вольтамперної характеристики для нормального розжарення катода за формулою

Для дослідів складають електричне коло за схемою, поданою. Тут V1 – авометр, увімкнений для вимірювання змінної напруги до 10 в, а V2 – той самий авометр, увімкнений для вимірювання напруги до 200в. Анодну напругу регулюють універсальним напівпровідниковим випрямлячем, а напругу нитки розжарення – реостатом.
Скляний прозорий балон, у якому утворено досить високий вакуум (повітря відкачують до тиску близько 10-³ Па). Катод прямого розжарювання виготовлений у вигляді спіралі з вольфрамового дроту, яку кріплять на двох молібденових траверсах. Виводи від катода приєднані до клем 8, встановлених на цоколі 7 тріода. За допомогою стержня 5 тріод вставляють у підставку 6 або рейтер проекційного апарата.  Демонстраційний діод має також скляний балон 1 (мал. 3,б) діаметром 45 і висотою 90 мм, в якому містяться катод 2 та  анод  3.  Вакуум  у  балоні  діода  – порядку 10 Па. Катод прямого розжарювання закріплений на траверсах, приєднаний до клем 5, що встановлені на цоколі 6 діода.
Проводячи досліди з проходження електричного струму в розріджених газах виявили свічення скла розрядної трубки за анодом. На світлому фоні скла, що світиться була видна тінь від аноду так ніби свічення скла викликається якимось невидимим випромінюванням, яке прямолінійно поширюються від катода до анода. Це невидиме випромінювання назвали катодними променями. Фізик Жан Перрен в 1895 р. установив, що катодні промені насправді є потоком негативно заряджених частинок.
Хід роботи
1.    Повторіть матеріал, що стосується електричного струму у вакуумі, за шкільним підручником та за підручником з курсу загальної фізики. Ознайомтесь з рекомендаціями з програми фізики для демонстрацій при вивченні в школі даної теми.
2. Проведіть досліди для демонстрації явища проходження електричного струму у розрідженому повітрі.
Дослід з розрядною трубкою є основним при вивченні проходження електричного струму через розріджені гази. Для демонстрування розряду в газах при низькому тиску складають установку  за мал. 4. Дослід виконують так. Спочатку утворюють стійку іскру довжиною 40-80 мм між електродами індуктора. Для цього треба   старанно почистити контакти переривача. Переривач регулюють і старанно загвинчують  регулювальними гвинтами. Потім сполучають борни індуктора з електродами трубки і, увімкнувши його,  демонструють іскру. Пояснюють, що в трубці іскра не виникає, бо відстань між її електродами більша, ніж між електродами індуктора, і напруга індуктора недостатня для іскрового пробою цієї відстані. Відкачують повітря з трубки і спостерігають, що при певному       розрідженні (близько 40-45 мм pт. cт.) розряд між електродами  індуктора припиняється, а починається розряд усередині трубки у вигляді дуже рухливого шнура червоно-фіолетового кольору. Продовжуючи відкачувати з трубки повітря, демонструють                       зміну   зовнішнього   вигляду     розряду в ній залежно від тиску.  Дуже бажано довести розрідження в трубці до такого, коли свічення повітряного стовпа в ній припиняється (близько 0,01 мм pт. cт.). Цього можна досягти за допомогою ротаційного масляного насоса. Звичайний вакуумний насос Комовського дає можливість довести тиск до 3-4 мм.рт.ст. При такому розрідженні вже помітно початок розшарування світного стовпа на так звані «страти», їх можна бачити, якщо дивитись поперек трубки. У процесі відкачування слід звертати увагу на різний характер свічення біля анода і катода. Для цього перемикач індуктора періодично кілька разів повертають на 180°, змінюючи полярність електродів трубки.  Коли буде досягнуто максимального для насоса розрідження, слід затиснути шланг затискачем і зняти його кінець з розрядного штуцера насоса. Обережно відкручуючи затискач, щоб повітря натікало в трубку дуже повільно, демонструють зворотну зміну вигляду розряду при підвищенні тиску. Дослід  виконують у затемненому приміщенні. Корисно показати, що шнур розряду – це потік заряджених частинок. Для цього треба піднести до трубки дуже сильний підковоподібний магніт. При цьому шнур вигинатиметься по-різному, залежно від напряму магнітного поля і полярності електродів трубки.
Дослід з розрядом у повітрі при зниженому тиску (коли немає розрядної трубки) можна продемонструвати за допомогою установки, поданої на мал. 5. Звичайно вивчити структуру розряду за  допомогою такого досліду не можна, але зміну його характеру залежно від  тиску можна показати досить добре. Для виконання досліду в затискачі тарілки вставляють вертикально дві дротини довжиною по 120-140 мм. Ці дротини правитимуть за електроди, між якими відбуватиметься розряд. Установлюють ковпак на тарілку і  притирають його, щоб витиснути   з-під ранта надлишок мастила. Насос сполучають з тарілкою вакуумним шлангом і встановлюють кран тарілки в положення для відкачування. Борни індуктора сполучають з клемами тарілки, а електроди борнів розсувають на відстань 4–5 см.
3. Шкала пустот.
У зв'язку з тим, що в навчальних закладах в основному є лише насоси Комовського, які дають розрідження порядку 5-З мм pт. cт., показати розряд у газах при нижчому тиску можна тільки за допомогою шкали пустот (шкали Кросса). Вона є набором з шести (іноді з п'яти) трубок з двома електродами, змонтованих на спільному стояку (мал. 6). Кожна з трубок шкали містить розріджене повітря при різних тисках. Вмикаючи за допомогою перемикача,  розташованого нижче трубок шкали, ту або іншу трубку, демонструють вигляд  розряду залежно від тиску. Звичайно до набору входять трубки з такими розрідженнями:
№ 1 Тиск 8—10 мм. pт. cт. Свічення заповнює всю трубку і має малиново-жовтий колір. Біля катода воно має голубий відтінок. Виразно видно початок утворення страт,  якщо дивитися поперек трубки.
№ 2. Тиск З—4 мм pт. cт. Свічення біля анода має червонувато-жовтий колір,  біля катода — голубий. Видно фарадеїв темний простір.
№ 4. Тиск 0,4—0,8 мм pт. cт. Темний катодний простір розширюється, катодне свічення стає більш яскравим, анодне свічення стає рожево-жовтим, чітко видні страти навіть при спостереженні збоку.
№5 Тиск 0,2-0,1 мм рт. ст.  Катодний темний простір поширюється майже на всю трубку, біля катода видно голубе свічення, віддалене від свічення на самому катоді (фіолетово-червоного кольору) темним проміжком. Страти розширюються  і  стають блідими.
№ 6 Тиск 0,02-0,01 мм pт. cт. Анодне свічення  зникає, простір біля катода світиться дуже слабким голубим світлом стінки  трубки проти катода світяться зеленуватим або голубуватим світлом.
Після довгого зберігання приладу частина газу, що є в трубках, адсорбується стінками, і тиск у них дещо знижується. Це призводить до зміни картини розряду, описаної вище. Щоб поновити тиск у трубці, треба дуже обережно нагріти її на  полум'ї спиртівки або над електричною плитою.                                                      
На електроди трубок шкали не слід подавати дуже високу  напругу, бо тоді в усіх трубках одночасно відбувається розряд, що спотворює картину.
4. Свічення гейслерових трубок.
Щоб показати використання анодного свічення в розрідженому газі,  використовують трубки Гейслера. Тиск газу в таких трубках – 1-4 мм рт. cт. Кілька трубок, заповнених різними газами, сполучають короткими дротинками послідовно і підвішують на ізоляційному штативі (мал. 7). Вмикають індуктор і демонструють їх свічення. Колір свічення різних газів при тиску 2-8 мм.рт. cт.: аргон – темно-червоний; гелій – червоно-оранжевий з фіолетовим відтінком; неон – червоно-оранжевий з жовтуватим відтінком; азот – жовтий; кисень – жовтий з рожевою серединою; водень – рожевий; пара ртуті – зеленуватий; повітря – малиново-жовтуватий.
5. Свічення безелектродних трубок.
Дуже цікаву і ефектну картину дає свічення безелектродних трубок у високочастотному електромагнітному полі. Трубки для демонстрування цього явища не мають ніяких електродів і містять газ (найчастіше неон) при тиску  8-15 мм. pт. cт. Щоб продемонструвати явище, трубки розташовують у просторі поблизу верхнього кінця вторинної обмотки високочастотного трансформатора, тримаючи їх просто в руці. Не слід наближати трубки до кульки  вторинної обмотки, бо це спричиняє іскровий пробій. Від цього може пробитися скло,і трубка вийде з ладу.  
До комплекту безелектродних трубокь три трубки: пряма, зигзагоподібна і у вигляді кільця з ручкою.
6. Люмінесцентна лампа.
Люмінесцентна лампа, або лампа денного світла, є скляною трубкою, на торцях якої є вольфрамові нитки розжарювання (катоди), покриті оксидами. Внутрішня поверхня трубки покрита люмінофором. Всередині трубки є аргон та пари ртуті при тискові порядка 0,01 мм. рт. ст. Коли нитка розжарювання нагрівається, вона випускає електрони. Якщо до трубки прикласти напругу, то виникне розряд. Розряд в парах ртуті та аргону супроводжується ультрафіолетовим випромінюванням. Ці промені викликають свічення люмінофора, яке ми бачимо. Самі ж ультрафіолетові промені поглинаються склом трубки. Спектр люмінофорного світла близький до спектру денного світла.
Нитки розжарювання лампи з’єднані між собою послідовно, але струм через них повинен проходити дуже не довгий час (максимально 2...3 с), в іншому випадку нитки погорять. Для автоматичного замикання та розмикання струму, що проходить через нитки розжарювання лампи, застосовують спеціальний пристрій, який отримав назву стартера.
7. Демонстрування явища термоелектронної емісії.
А. Балон звичайної лампи розжарення потужністю 15–40 Вт старанно миють, висушують, а потім наполовину обгортають або обклеюють станіолем. Станіоль  провідником сполучають з електрометром .
Б. Спочатку розглядають будову демонстраційного вакуумного діода. Для наочності лампу можна спроектувати на екран. Електроди – катод 1 і анод 2 – знаходяться в скляному балоні 3, який має форму циліндра. В балоні високий вакуум, порядку  10-6 мм рт. ст.  В лампі катод прямого розжарення. Це тонкий вольфрамовий дріт, скручений в спіраль. Кінці нитки розжарення приварені до двох опор 4, які виведенні на зовні і приєднанні до гвинтових затискачів 5 на цоколі, закріпленому на опорному стержні. Анод діода – плоский диск із тугоплавкого матеріалу. Відстань між катодом і анодом близько 10 мм. Під’єднаний анод до виводу зверху балона з гвинтовим затискачем.                                
Для живлення демонстраційного діода потрібно подати напругу 6,3 В і забезпечити, щоб сила струму в колі була 1,5 – 2 А. Для цього збирають коло з батареї акумуляторів, реостата (10 Ом, 2 А), ключа і нитки розжарення лампи. При вмиканні кола за допомогою реостата доводять катод до яскраво-червоного світіння. Силу струму в колі розжарення не вимірюють. На малюнку  зображена установка для демонстрації розжарення катода.
Якщо в фізичному кабінеті немає демонстраційного діода, то для демонстрації беруть яку небудь електронну лампу зі скляним балоном, що застосовувалась в радіопристроях.
Електризують паличку з органічного скла додатньо (при терті по шерсті) і з її допомогою заряджають додатнім зарядом електрометр. Деякий час спостерігають, що електрометр зберігає заряд. Далі вмикають коло розжарення і помічають, що при нагріванні нитки електрометр швидко розряджається. Пояснюють дане явище тим що розжарена нитка випускає електрони, які під дією електричного поля всередині лампи (впаяна пластина заряджена позитивно) рухаються до цієї пластини і нейтралізують її заряд. Повторюють дослід, зарядивши електрометри за допомогою ебонітової палички, потертою шовком, негативно. Тепер при вмиканні розжарення лампи електрометр не розряджається. Дана демонстрація підтверджує, що частинки, які випромінює нитка розжарення  мають негативний заряд.
8. Принцип роботи діода.
Демонстраційний прилад «Принцип роботи діода» в макетом, що імітує роботу цієї лампи. Прилад живлять від джерела постійного струму 6В. Докладна інструкція щодо будови і демонстрування макета додається до кожного приладу.
9. Одностороння провідність діода.
1.    Збирають установку. Приєднують (через ключ) нитку розжарення демонстраційного діода до клеми «6,3 В» універсального випрямляча. Анод підключають до клеми  ¬«+» регульована напруга. Клему  «–» з’єднують через високоомний реостат з ниткою розжарювання. Анодна напруга повинна бути 60 – 70 В. Вмикають коло розжарювання і спостерігають розжарювання нитки. Включивши анодне коло, спостерігають відхилення стрілки демонстраційного гальванометра. В анодному колі є струм. Виключивши коло, переключають полюси джерела струму в анодному колі. Тепер при вмиканні кола стрілка гальванометра не відхиляється – струму в колі немає.
10. Зняття вольт амперної характеристики вакуумного діода.
Скласти електричне коло. Для дослідження залежності анодного струму від анодної напруги при сталих  значеннях напруги нитки розжарення катода вмикають спочатку вольтметр V1. Увімкнувши ВУП, установлюють реостатом напругу розжарення катода 3 в (Up1=3 в). Потім, вимкнувши ВУП, вмикають вольтметр V2. Увімкнувши ВУП, виконують спільні вимірювання анодної напруги  Ua і сили струму в анодному колі Ia.
Застереження. При зміні полярності джерела анодної напруги відповідно змінити полярність умикання вольтметра V2 і міліамперметра.
Аналогічні вимірювання виконати при напрузі розжарення катода 4 в (Up2=4 в) і 6,3 в (Up3=6.3 в). Результати  спільних вимірювань Ua і Ia записати в таку таблицю:

№ п/п    Up1=3 в    Up2=4 в    Up3=6.3 в
Ua’ в    Ia’ ма    Ua’ в    Ia’ ма    Ua’ в    Ia’ ма

Вказівка. Результати вимірювань записати так, щоб для обробки їх можна було застосувати спосіб підрахунку цифр.
За результатами спільних вимірювань Ua та Ia  побудувати графік залежності струму в анодному колі від анодної напруги  при значеннях  напруги розжарення катода 3; 4 і 6,3 в (на одному малюнку). Обчислити значення внутрішнього опору лампи. Результати вимірювань обробити за способом підрахунку цифр.