3 Лабораторная работа / 3-Лабораторная работа (Физика)_18 / Отчет по ЛР №3

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра физики

ОТЧЕТ

Лабораторная работа по курсу "Общая физика"

ИЗУЧЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ БОЛЬЦМАНА

И ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОТЫ ВЫХОДА

ЭЛЕКТРОНОВ ИЗ МЕТАЛЛА В ВАКУУМ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью настоящей работы является изучение распределения Больцмана на примере исследования температурной зависимости тока термоэлектронов, а также определение работы выхода электронов из металла в вакуум.

2. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА

С хема экспериментальной установки приведена на рис.2.1. Первичная обмотка трансформатора Т питается от сети переменного тока напряжением 220 В. Вторичная обмотка подключена к диодному мосту VD, выпрямленное напряжение с которого подается на накальную спираль электронной лампы Л.

Регулировка тока накала производится сопротивлением R, движок управления которым выведен на лицевую панель установки. На этой же панели расположен миллиамперметр ИП1. Определение температуры катода осуществляется по величине тока накала I_Н , измеренного миллиамперметром ИП1, с помощью градуировочной кривой. Для измерения тока I_A термоэлектронов, попадающих на анод, служит микроамперметр ИП2, включенный в анодную цепь. Прибор ИП2 также расположен на лицевой панели установки.

Суть эксперимента заключается в измерении зависимости анодного тока I_A от тока накала I_Н .

3. ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

Работа выхода электрона из металла (в Дж):

E = -k a, (3.1)

где k - постоянная Больцмана;

a - угловой коэффициент линеаризованного графика

4. РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ИХ АНАЛИЗ.

Экспериментальные данные и результаты их обработки представлены в таблице.

Таблица

Результаты прямых и косвенных измерений

	1	2	3	4	5	6	7	8
IН	0,26	0,31	0,35	0,38	0,42	0,49	0,55	0,61
IA	11	13	15	17	19	24	29	34
T	1048	1062	1075	1083	1093	1113	1130	1146
ln IA	2,3978	2,5649	2,7080	2,8332	2,9444	3,1780	3,3672	3,5263
1/T	0,00095	0,00094	0,00093	0,00092	0,00091	0,00090	0,00088	0,00087

Рассчитываем значения для lnI_A:

Г

рафик зависимости :

-10

-10,5

-11

8

8,5

9

9,5

10

-11,5

-12

Определение погрешности измерения экспериментальных точек:

Работа выхода электрона из металла определяется по формуле (3.1), где .

Вывод: Изучив распределение Больцмана, на примере исследования температурной зависимости тока термоэлектронов от температуры, построил график этой зависимости. Из графика следует, что эта зависимость линейная. Чем больше температура нити накала катода, тем больше сила анодного тока.

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Вопросы:

1. Что называется распределением Больцмана?

2. Сколько значений потенциальной энергии частиц реализуется в экспериментальной установке, применяемой в данной работе?

3. Представить распределение Больцмана графически и указать на графике область изменения параметров системы в данной работе.

4. Что общего и в чем различие распределений Больцмана и Максвелла?

5. Какова физическая причина существования работы выхода электронов из металла? Что было бы, если бы работа выхода равнялась нулю или была отрицательной?

Ответы:

1. Распределением Больцмана называется зависимость концентрации молекул в равновесном идеальном газе от координат и имеет вид: ,

где W_n(x,y,z) – потенциальная энергия частицы в точке пространства, определяемой координатами (x,y,z)

а также, под распределением Больцмана понимают зависимость концентрации частиц газа от их потенциальной энергии во внешнем поле.

2. В двухфазных системах, металл – вакуум, где в качестве исследуемого газа выбран электронный газ, потенциальная энергия частиц может иметь всего два значения. Потенциальные энергии электронов в металле и в вакууме отличаются на величину работы выхода.

3. 

U

1эВ

0,025эВ

Металл

Вакуум

Е

х

4. Общим является то, что эти распределения определяют вероятность микросостояния равновесного идеального газа. Различие заключается в том, что распределение Максвелла определяет зависимость скоростей молекул газа по кинетическим энергиям, а распределение Больцмана определяет зависимость концентрации молекул газа по потенциальным энергиям.

5. Для выхода из металла электроны должны преодолеть определенный потенциальный барьер, равный работе выхода. Физическая сущность потенциального барьера заключается в том, что электрон для вылета из металла должны иметь энергию достаточную для преодоления сил удерживающих его в металле. Увеличение энергии электронов достигается нагреванием металла. Если работа выхода равна нулю, то электроны не покидают металл. Если работа выхода отрицательна, то задерживающее напряжение столь велико, что возвращает обратно в металл ранее испущенные электроны.

6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Васильев А.М. Введение в статистическую физику. –М.: Высшая школа, 1980.

2. Мухачев В.А. Оценка погрешности измерений. –Томск: Ротапринт ТАСУР, 1991.