Скачиваний:
24
Добавлен:
23.06.2014
Размер:
133.12 Кб
Скачать

Томский межвузовский центр дистанционного образования

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)

Кафедра промышленной электроники (ПрЭ)

Лабораторная работа по курсу "Общая физика"

ИЗУЧЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ БОЛЬЦМАНА

И ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОТЫ ВЫХОДА

ЭЛЕКТРОНОВ ИЗ МЕТАЛЛА В ВАКУУМ

Выполнил

Студент гр.

Специальности 210106

.

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 IН , измеренного миллиамперметром ИП1, с помощью градуировочной кривой. Для измерения тока IA 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 IA от тока накала IН .

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

Абсолютная приборная погрешность:

, (3.2)

где Δ(x)- абсолютная приборная погрешность; γ- класс точности прибора; х- нормирующее значение.

Абсолютная погрешность при косвенном измерении некоторой величины для функции вида :

; (3.3)

где Δ(а)- погрешность измерения величины; а- результат измерения величины.

Угловой коэффициент линеаризованного графика:

, (3.4)

где Δy=y(x)-y(x) ; Δx=(x-x),

Доверительные интервалы:

(3.5)

где х- измеренная величина; ± σ(х)- абсолютная погрешность измерения.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ИХ АНАЛИЗ.

Экспериментальные данные и результаты их обработки представлены в таблице 4.1

Таблица 4.1

Результаты прямых и косвенных измерений

1

2

3

4

5

6

7

8

IН, mA

0.20мА

0.25 мА

0.30 мА

0.40 мА

0.50 мА

0.60 мА

0.70 мА

0.80 мА

IA, mkA

9мкА

10 мкА

13 мкА

18 мкА

24 мкА

33 мкА

44 мкА

59 мкА

T, K

1029 к

1044 к

1059 к

1087 к

1115 к

1143 к

1171 к

1199 к

ln IA, mkA

2.19722

2.30259

2.56495

2.89037

3.17805

3.49651

3.78419

4.07754

1/T,K

0.000971

0.000957

0.000944

0.000919

0.000896

0.000874

0.000853

0.000834

Класс точности приборов экспериментальной установки составляет: 1.5 для миллиамперметра и 1.5 для микроамперметра, нормирующее значение для ИП1=1, для ИП2=100, используя формулу (3.2) и формулы (3.3),(3.5) заполним таблицу 4.2

Таблица 4.2

Доверительные интервалы для каждой экспериментальной точки

1

2

3

4

5

6

7

8

I, mA

0.2±0.015

0.25±0.015

0.3±0.015

0.4±0.015

0.5±0.015

0.6±0.015

0.7±0.015

0.8±0.015

I,mkA

9±1.5

10±1.5

13±1.5

18±1.5

24±1.5

33±1.5

44±1.5

59±1.5

ln I,

mkA

2.19772

±0.17

2.30259

±0.14

2.56495

±0.12

2.89037

±0.085

3.17805

±0.063

3.49651

±0.046

3.78419

±0.034

4.07754

±0.025

Построим график функции lnI =f(1/T) с использованием доверительных

интервалов. Рисунок 4.1

рисунок 4.1

Используя формулу , где Δy=y(x)-y(x) ; Δx=(x-x),

найдем угловой коэффициент линеаризованного графика:

Далее, используя формулу (3.1), найдем работу выхода электронов

из металла в вакуум.

; Дж

5. ВЫВОДЫ

В результате проделанной работы, с помощью экспериментальной установки, мы убедились в справедливости распределения Больцмана, так

как смогли, в пределах погрешности измерений, построить линеаризованный график зависимости и из него определить, по приведенным формулам, работу выхода электронов из металла в вакуум.

6.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

6.1 Что называется распределением Больцмана ?

Ответ. Под распределением Больцмана принимают зависимость концентрации частиц газа от их потенциальной энергии во внешнем поле.

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

Ответ. В данной экспериментальной установке реализуется два значения потенциальной энергии, так как в ней используется двухфазная система металл-вакуум.

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

Ответ. Рисунок 6.1

рисунок 6.1

Область изменения параметров в данной работе отмечена на графике красным цветом.

6.4 Что общего и в чем различие распределений Больцмана и Максвелла?

Ответ. Распределения Больцмана и Максвелла справедливы для идеального газа. Распределения Максвелла- это распределение частиц по проекции скорости, по модулю скорости, по кинетическим энергиям. Распределение Больцмана- это распределение частиц по потенциальной энергии.

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

Ответ. С увеличением температуры металла, возрастает число электронов, обладающих кинетической энергией, достаточной для преодоления барьера металл-вакуум. Если работа выхода электронов равна нулю, то кинетическая энергия электронов слишком мала для преодоления потенциального барьера металл-вакуум.

Соседние файлы в папке 3-Лабораторная работа (Физика)_2