№ 131 (1107955)
Текст из файла
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М. В. ЛомоносоваФизический факультеткафедра общей физики и физики конденсированного состоянияМетодическая разработкапо общему физическому практикумуЛаб. работа № 131ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОТЫ ВЫХОДАЭЛЕКТРОНОВ ПО ТЕРМОЭМИССИИОписание составил проф. Суриков В.В.Москва 2012 г.Подготовил методическое пособие к изданию доц. Авксентьев Ю.И.3ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНОВ ПОТЕРМОЭМИССИИЭлектроны в металлах образуют две подсистемы: электроны ионных остовов,локализованные вблизи ионов и электроны проводимости, передвигающиеся повсему металлу. Отдельные электроны проводимости в процессе движения могутвылетать из металла, удаляясь от поверхности на несколько межатомныхрасстояний, но при этом в месте вылета образуется избыточный положительныйзаряд, стремящийся вернуть электрон обратно.
В результате металл представляетдля электронов проводимости потенциальную яму, покинуть металл могут толькоте электроны, энергия которых достаточна для преодоления потенциальногобарьера на поверхности.Наименьшая энергия, которую необходимо сообщить электрону для того,чтобы удалить его из твердого или жидкого тела в вакуум, называется работойвыхода А.Далее будем говорить только об электронах в металлах. При комнатнойтемпературе вследствие распределения электронов по энергиям всегда естьнебольшое количество электронов, энергия которых достаточна для того, чтобыпреодолеть потенциальный барьер и выйти из металла наружу. При повышениитемпературы количество электронов, вылетающих из металла, резко возрастает.Испускание электронов нагретыми телами называется термоэлектроннойэмиссией.Работа выхода существенно зависит от состояния поверхности металла, вчастности от еѐ чистоты.Цель работы – определение работы выхода электронов из катодавакуумного диода прямого накала.Двухэлектродная лампа, называемая также вакуумным диодом представляетсобой хорошо откачанный металлический или стеклянный баллон, внутрикоторого имеются два электрода – катод К и анод А.
Диод весьма удобен дляизучения термоэлектронной эмиссии и измерения работы выхода. Электроннуюэмиссию в диоде получают с помощью нагревания катода. Это можно сделатьдвумя способами: 1) разогревая катодпротекающим через него электрическим током(прямой накал); 2) разогревая катод с помощьюкосвенного накала, когда электрический токпротекает по проводнику, расположенномувблизи катода. В данной работе используется,как уже отмечалось, диод прямого накала.Если на анод не подается никакоенапряжение, то вылетевшие из катодаэлектроны образуют вокруг него отрицательныйпространственный заряд – электронное облако.Это облако отталкивает вылетающие из катода электроны и большую часть их4возвращает обратно. Но небольшое число электронов все же долетает до анода, врезультате чего в анодной цепи будет течь слабый электрический ток.
Чтобыполностью прекратить попадание на анод электронов необходимо приложитьмежду катодом и анодом некоторое отрицательное напряжение. Если же ,наоборот, к аноду приложить положительное напряжение, то с увеличением этогонапряжения все большее количество электронов из электронного облака будетувлекаться электрическим полем к аноду. И, наконец, при определенномзначении анодного напряжения все вылетающие из катода электроны будутдостигать анода – такой анодный ток называется током насыщения Iнас.Дальнейшее увеличение анодного напряжения не может увеличить силу анодноготока.Изменить величину тока насыщения можно, разумеется, с помощьюизменения температуры катода - повышение температуры катода приводит квозрастанию значения тока насыщения.
Таким образом, именно ток насыщенияхарактеризует термоэлектронную эмиссию.При постоянном токе накала катода кривая зависимости силы анодного токаIa от анодного напряжения Ua имеет вид, показанный на рис. 1.Эта кривая называется вольт-амперной характеристикой диода.Различные кривые на рис.
1 соответствуют разным температурам катода.Следует отметить, что на рис.1 хорошо видна важная особенность вакуумногодиода: закон Ома для него не выполняется.Величина тока насыщения зависит от работы выхода А и описываетсяформулой Ричардсона-Дэшмана:Iнас = аТ2 ехр[-A/(kТ)],где а – не зависящая от рода металла константа,k – постоянная Больцмана, k = 1.38·10-23 Дж/К.Отметим, что при выводе этой формулы использовались квантовыепредставления (Дэшман).Логарифмируя, получаем:ln(Iнас/Т2 ) = С – (1/Т)А/k ,где С – некоторая константа.Таким образом, зависимость ln(Iнас/Т2 )от (1/Т) носит линейный характер (график– прямая линия), а угловой коэффициентэтой прямой равен отношению работывыхода А к постоянной Больцмана.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯУСТАНОВКАВнешнийвидэкспериментальнойустановки показан на рисунке 2.
Лицеваяпанель установки с пояснительныминадписями продублирована на рис.3. На5рис.4 изображена принципиальная электрическая схема установки. Видно, что всхеме имеются две цепи – тока накала катода и анодного тока. Изучаемый объект– вакуумный диод прямого накала 1Ц11П или 3Ц18П виден в окошке наверхней части панели.НАЗНАЧЕНИЕ ОРГАНОВ УПРАВЛЕНИЯИ ПОДКЛЮЧЕНИЯТумблер « 100В-2В »переключательдиапазонованодного напряжения.
При верхнемположении рукоятки тумблера этонапряжение является ускоряющими регулируется в пределах от 0 до100 В . Регулятор анодногонапряжения – резистор R1 (см. рис.3).Принижнемположениирукоятки тумблера это напряжениеявляетсязадерживающимирегулируется в пределах от 0 до –2В.Тумблер « ИМП/ПОСТ » – натри положения – переключательрежимов питания нити накала(катода прямого накала). Приверхнемположениирукояткитумблера напряжение накала –импульсное с частотой около1кГц, при нижнем положении –постоянное+12В, присреднемположении рукоятки тумблера питаниенакала отключено. Регулятор тока накаларезисторR2,включенныйпоследовательно в цепь катода ипоказанный и на рис.
3 и на рис. 4.Среднее значение тока накалаизмеряется стрелочным прибором спределом шкалы 200 мА. Более точно ток6накала определяется по падению напряжения URo на эталонном резисторе Ro =20 Ом, включенном последовательно в цепь катода: Iн = URo/ Ro .Гнезда «ОБЩ» и «+12В» предназначены для подключения к внещнемуисточнику постоянного или переменного напряжения 12-15 В ( в данной работене используется ).Через 5-контактный разъем (поз. 2 на рис.
3) прибор подключается ксетевому блоку питания.Тумблер «ВКЛ/СЕТЬ» включает питание.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬВНИМАНИЕ: любые переключения режима измерений, связанныес подсоединением или пересоединением проводов производить приотключении мультиметра (переключатель режимов – в положении« off »).1. Измерение сопротивления катода RKоСопротивление катода RKо при комнатной температуре измеряют при токенакала Iн не более 10 мА. Такой малый ток создают с помощью источникаанодного напряжения ИПА: отключив источник питания накальный ( ИПН )тумблером ИМП/ПОСТ (поставив его в среднее положение), подключают катодк ИПА через резистор RА2 (соединяют проводником контакты 5 и 3),устанавливают максимальное анодное напряжение и измеряют напряжения нарезисторе Ro (Uo) и на катоде (контакты 2 и 3) Uк.
Например:Uo = 203 мВUк = 14.8 мВТо = 296 КRK0 = Ro UK/U0 = 1.46 ОмПроведя измерения RKо контакты 5 и 3 разъединяют.Определив сопротивление катода при комнатной температуре RKо можнопереходить к измерениям работы выхода, описанным ниже в разделе 3. Но припоследовательном заполнении представленной там итоговой таблицынеобходимо будет определять температуру катода. В разделе 2 показано, как этоделается в данной работе.2. Измерение температуры катодаВ диапазоне температур 300 –2500 К сопротивление катода линейнозависит от температуры:RK = α(Т – В) ,где α и В – константы.
Для вольфрама, используемого для изготовлениякатода, В = 114 К. Однако нить накала покрыта оксидным слоем, и константа В= 46,0 К для лампы 1Ц11П.Измерив сопротивление RKо при комнатной температуре То и сопротивлениеRK при неизвестной температуре Т, находим:7TB RKT0 BRKOДля определения RK измеряют напряжение Uo на резисторе Rо = 20 Ом(контакты 0-1 на рис. 4) и напряжение Uк на сопротивлении катода (контакты 23).
Поскольку через Rо и RK идет один и тот же ток I = Uo/Ro = Uк /RKсопротивление катода:RK = Ro UК/Uo .ВНИМАНИЕ!ПОСТОЯННАЯ ТЕМПЕРАТУРА КАТОДА УСТАНАВЛИВАЕТСЯЧЕРЕЗ 1-2 МИНУТЫ ПОСЛЕ ПОДАЧИ НАПРЯЖЕНИЯ ИЛИ ЕГОИЗМЕНЕНИЯ!3. Измерение работы выходаИсточник питания накала переводится тумблером в режим “ ПОСТ ”. Анодноенапряжение (тумблер в режиме “ +100В ”) устанавливается максимальным спомощью резистора R1 (ручку резистора поворачивают вправо до упора).Анодный ток измеряется мультиметром (контакты 4 и 6, переключатель режимовмультиметра в положении “ ДСА ”, т.е. измерение постоянного тока, диапазонизмерений – до “ 200μА ”. При таком включении в данной схеме сопротивлениемультиметра более чем на два порядка меньше анодного сопротивления, поэтомупрактически весь анодный ток будет течь через мультиметр).Регулируя ток накала резистором R2 в пределах от 90 мА до 110 мАустанавливают различную температуру катода (рекомендуется 5 значенийтемпературы).
Для каждой температуры катода измеряется анодный ток ( примаксимальном анодном напряжении в рекомендуемом диапазоне температуризмеряемый ток является током насыщения или близок к нему).Последовательно заполняется следующая таблица:№ UO,ВUK,ВRK,Ом IH,мАТ, КIНАС,мкА ln(IНАС/Т2 ) 1/Т12345Каждое значение тока накала IН устанавливается и измеряется следующимобразом:1)по шкале миллиамперметра устанавливается ток накала врекомендуемом диапазоне 90-110 мА (в таблицу эти приблизительные значенияне записывают);2)мультиметром измеряются значения напряжений Uк и Uo (как указановыше – в последнем абзаце предыдущего раздела «Измерение температуры8катода». При этом можно использовать оба мультиметра: один для измерениянапряжения на катоде (клеммы 2 и 3), другой для измерения напряжения насопротивлении Ro (клеммы 0 и 1). На мультиметрах для измерений используютсядве нижние клеммы (из трех): “ com “ и “ VΩmА “;3)вычисляется значение сопротивления катода RK ;4)вычисляется значение тока накала Iн = Uк / RK , которое и записываетсяв таблицу.По данным таблицы строится график зависимости ln ( IНАС/Т2 ) от (1/Т) (см.,например, рис.
5).На графике выделяется линейный участок и по его наклону определяютработу выхода. Нелинейная зависимость при больших токах связана с тем, чтопри заданном анодном напряжении анодный ток диоде не выходит полностью нанасыщение. Единицей работы в системе единиц СИ является Джоуль. Но чащеработа выхода измеряется в электрон-вольтах (эВ) – единица работы иэнергии, равная работе, совершаемой силами поля при прохождении электрономразности потенциалов в один вольт:1 эВ = 1,6·10-19 Дж.ЛИТЕРАТУРАСавельев И.В. Курс общей физики: Учеб.
пособие. В 5 кн. Кн.5 Квантоваяоптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра иэлементарных частиц. - 4-е изд., перераб. - М.: Наука. Физматлит. 1998. - 368 с.Часть III. Физика твердого тела.Глава 9. Контактные и термоэлектрические явления.§ 9.1. Работа выхода.§ 9.2.
Термоэлектронная эмиссия. Электронные лампы.9.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
