Лабораторная работа № 1
Исследование явления термоэлектронной эмиссии
Цель работы:
Определение эмиссионных параметров вольфрамового термокатода
Учебные задачи:
Задача 1. Построение и анализ вольт-амперной характеристики накала.
Задача 2. Определение температуры катода по его сопротивлению.
Задача 3. Определение температуры катода по мощности теплового излучения.
Задача 4. Построение и анализ анодных вольт-амперных характеристик. Определение токов насыщения диода.
Задача 5. Оценка эмиссионной постоянной и работы выхода электрона с помощью формулы Ричардсона-Дешмана.
Приборы и принадлежности: Универсальный источник питания УИП, электронная лампа ГУ-4, вольтметры, миллиамперметр, амперметр, реостаты.
Описание установки и методика эксперимента
В данной работе исследуется эмиссия электронов с поверхности вольфрамового катода вакуумной электронной лампы ГУ–4. Катод прямого накала выполнен из вольфрамовой проволоки и имеет форму тонкой согнутой пополам прямой нити (площадь катода S = 0,05 см2). Анод имеет форму коаксиального с катодом никелевого цилиндра.
Цепь накала катода содержит: источник стабилизированного напряжения (блок питания БП и выпрямитель-стабилизатор напряжения СН), реостат R1 и приборы для регистрации постоянного тока A1 и напряжения V1 накала катода. Катод нагревается током, температуру катода можно менять, регулируя с помощью реостата R1 силу тока накала. Цепь анода включает: блок питания, реостат R2 и приборы для регистрации анодного тока A2 и напряжения V2 между катодом и анодом. Анодное напряжение можно изменять с помощью реостата R2, выполняющего функцию потенциометра.
Экспериментальная часть (выполнение измерений)
Учебная задача 1. Построение вольтамперной характеристики накала
Таблица 1а.
Результаты измерений и расчета параметров нити накала
Uн, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
Iн, А |
|
|
|
|
|
|
|
|
R, Ом |
|
|
|
|
|
|
|
|
T, К |
|
|
|
|
|
|
|
|
Обработка экспериментальных данных и анализ результатов эксперимента
Учебная задача 2. Определение температуры катода по его сопротивлению
Основные учебные задания по данному этапу:
2. Для каждой пары значений тока и напряжения накала рассчитать в соответствии с законом Ома сопротивление разогретого катода: (1)
3. Для каждой пары значений тока и напряжения накала рассчитать температуру катода. Расчет основан на том, что сопротивление металлов существенно растет при повышении температуры. В этом случае для определения температуры поверхности катода применяется выражение: , (2) где Ro – сопротивление катода при нуле градусов Цельсия; – температурный коэффициент сопротивления (принять равным 0,0048 К–1 ). При расчетах сопротивление катода при нуле градусов Цельсия принять равным Ro = 0,33 Ом.
Сделать вывод о том, как зависит сопротивление металлического вольфрама от температуры.
4 зависимость температуры катода вакуумного диода от тока накала (рис. 2 б).
5. Оценить погрешность определения температуры катода. Учесть, что абсолютная ошибка T однократного определения температуры катода равна: , где U и I — инструментальные погрешности вольтметра и амперметра, которые рассчитываются по классу точности измерительных приборов.
Учебная задача 3. Определение температуры катода по мощности теплового излучения
Расчет температуры в данном методе выполняется с помощью закона Стефана-Больцмана. Предполагается, что подводимая к катоду мощность тока накала расходуется, в основном, на его нагрев и рассеивается виде теплового излучения:. Приравнивая эти формулы, получаем для температуры поверхности катода выражение:, . (3)
где а — коэффициент черноты излучателя; — постоянная Стефана-Больцмана.
6. Для каждой пары значений тока и напряжения накала рассчитать удельную тепловую мощность тока накала и температуру катода по формуле (3). Площадь поверхности катода принять равной Sкатода = 0,15 см2. В интервале температур от 2200 К до 2700 К для расчетов может быть использовано взятое из литературных данных среднее значение коэффициента аср = 0,29. Результаты расчетов представить в таблице 1б
Таблица 1б