Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физпрактикум. Часть 2. Электричество и магнетизм. Учебное пособие
.pdf
чество электронов, энергия которых достаточна для того, чтобы преодолеть потенциальный барьер и выйти из металла.
Однако электронам можно различными способами сообщить дополнительную энергию. В этом случае часть электронов получает возможность покинуть металл и наблюдается испускание электронов — электронная эмиссия. В
зависимости от того, каким способом сообщена электронам энергия, различают
типы электронной эмиссии. Если электроны получают энергию за счет тепловой энергии тела при повышении его температуры, можно говорить о термоэлектронной эмиссии. Если энергия подводится светом, имеем явление фотоэмиссии. Если энергия сообщается электронам при бомбардировке извне какими-то другими частицами, наблюдается вторичная эмиссия.
Для наблюдения термоэлектронной эмиссии можно использовать пустую
лампу, содержащую два электрода: накаливаемый током катод и холодный
электрод собирающий термоэлектроны,— анод. Такие лампы носят название
вакуумных диодов. На рис. 3 изображена схема такого диода. Ток в этой цепи
появляется только в том случае, если положительный полюс батареи соединен с
анодом, а отрицательный — с катодом. Это подтверждает, что катод испускает
отрицательные частицы, электроны. Сила термоэлектронного тока в диоде зависит от величины потенциала анода относительно катода. Кривая, изображающая зависимость силы тока в диоде от анодного напряжения, называется
вольт - амперной характеристикой.
На рис. 4 указаны вольт- амперные характеристики диода при разных
температурах катода. Когда потенциал анода равен нулю, сила тока мала, она
определяется лишь самыми быстрыми термоэлектронами, способными достиг-
71
нуть анода. При увеличении положительного потенциала анода сила тока возрастает и затем достигает насыщения, т.е. почти перестает зависеть от анодного
напряжения.
При увеличении температуры катода увеличивается и значение тока, при
котором достигается насыщение. Одновременно увеличивается и то анодное
напряжение, при котором устанавливается ток насыщения. Таким образом,
вольт- амперная характеристика диода оказывается нелинейной, т. е. не выполняется закон Ома. Это объясняется тем, что при термоэлектронной эмиссии у
поверхности катода создается довольно большая плотность электронов. Они
создают общий отрицательный заряд, и электроны, вылетающие с малой скоростью, не могут его проскочить. С увеличением анодного напряжения концентрация электронов в облаке пространственного заряда уменьшается. Поэтому и
тормозящее действие пространственного заряда становится меньше, а анодный
ток растет быстрее, чем в прямой зависимости от анодного напряжения.
Теоретическая зависимость анодного тока от анодного напряжения на
участке 1–2 была получена Ленгмюром и Богуславским. Она называется еще
"законом трех вторых".
По мере роста анодного напряжения все больше электронов, вылетающих
из катода, отсасывается к аноду. При определенном значении Uа все вылетевшие из катода за единицу времени электроны достигают анода. Дальнейший
рост анодного напряжения не может увеличить силу анодного тока, поскольку
достигается насыщение. Максимальный термоэлектронный ток, возможный
при данной температуре катода, называется током насыщения.
При повышении температуры катода увеличивается скорость хаотического движения электронов в металле. При этом число электронов, способных покинуть металл, резко возрастает. Плотность тока насыщения, т. е. сила тока
насыщения на каждую единицу поверхности катода S, вычисляется по формуле
Ричардсона-Дешмена:
72
где В — постоянная эмиссии; k = 1,38 10
-23
Дж/0К – постоянная Больцма-
на. Плотность тока насыщения характеризует эмиссионную способность катода, которая зависит от природы катода и его температуры.
Аппаратное и программное обеспечение
Внешний вид экспериментальной установки для определения работы вы-
хода электронов из металла представлен на фото 1. Кассета, содержащая вакуумный диод и элементы сопряжения с ЭВМ изображена на фото 2.
Фото 1. Фото 2.
В качестве диода используется радиолампа с вольфрамовым катодом
прямого накала. Нагрев катода осуществляется постоянным током. Амперметр
и вольтметр в цепи накала катода служат для определения мощности, расходуемой на нагрев катода, что необходимо для определения температуры.
Перед началом работы все ручки регулирования напряжения на блоке питания должны быть переведены в крайнее против часовой стрелки положение, а
тумблер питания должен находиться в положении "Выключено". Все дальнейшие действия производятся в соответствии с порядком проведения опытов.
Программное обеспечение
Выполняемым файлом данной лабораторной работы является ФПЭ-
06м.EXE. После его запуска сначала производится поиск и тестирование необходимого оборудования и, в случае его отсутствия или несоответствия данной
работе, выдается сообщение об ошибке аппаратуры как показано на рис.1.
73
Рис. 1.
Измерения в данном случае становится невозможными.
Рис. 2.
Вид основного окна программы ФПЭ-06 показан на рис.2. Как видно из
рис.2, окно программы разбито на несколько областей отображения:
1. Область выбора: проведение эксперимента или результаты измерений.
2. Область отображения измеренных значений (окно измерений).
3. Область списка сохраненных значений. Любая точка измерения может
быть сохранена в списке для последующего просмотра, анализа и обработки.
4. Область панели инструментов. В данной программе, с целью упроще-
ния управления, визуально отсутствует "меню". Все управление осуществляется путем нажатия левой кнопки "мыши" на соответствующую пиктограмму панели инструментов. "Всплывающие" подсказки, появляющиеся при помещении
курсора "мыши" в область соответствующей пиктограммы, вкратце объясняют
то, что произойдет при нажатии на пиктограмму.
Окно измерений
Упрощенная принципиальная схема установки для проведения исследо-
вания вольт-амперных характеристик вакуумного диода дана на рис. 3.
74
Рис. 3.
Текущие значения измеряемых величин (напряжение анода, ток анода,
напряжение накала и ток накала) отображаются в соответствующих окнах. При
нажатии на кнопку текущие значения будут перенесены в таблицу, а на
графике появится новая точка. В случае необходимости график зависимости
тока анода лампы от величины напряжения между катодом и анодом, можно
увеличить, используя двойной клик левой кнопки "мыши" когда курсор находится на графике. Повторное нажатие приведет к обратному результату.
Окна списка сохраненных значений.
Внешний вид окна списка представлен на рисунке 4. В любой момент
времени текущие параметры измерения (ток и напряжение) могут быть сохранены в списке для последующего просмотра, анализа и обработки.
Рис 4.
где:
I
— ток накала катода,
нак
Iа — анодный ток,
Uа — напряжение между катодом и анодом вакуумного диода,
Uк — напряжение на катоде.
Точки, в которых производятся измерения соответствующих параметров,
отображены на упрощенной принципиальной схеме установки. Единицы измерений приведены в заголовках столбцов вместе с самими параметрами. Выбор
75
анализируемой таблицы осуществляется путем подведения курсора и нажатием
левой кнопки "мыши" на нужной таблице. Активная таблица подсвечена желтым цветом, аналогичным цветом представлена кривая на графике. Для внесе-
ния текущих результатов в список используйте . Для перехода к следую-
щей таблице используйте кнопку «перейти к новому списку» — , а для пе-
рехода к предыдущей — . Зеленым цветом отмечены таблицы с законченными измерениями вольт-амперных характеристик. Удаление результатов измерений осуществляется путем подведения курсора и нажатия левой кнопки
"мыши" на нужной таблице (таблица окрасится в красный цвет) и нажатием
кнопки «удаление списка» — . Повторное нажатие левой кнопки "мыши"
на таблице окрасит ее в исходный цвет, при этом экспериментальные результаты при дальнейших измерениях будут занесены в данную таблицу.
После проведения эксперимента автоматически будут определены токи
насыщения для различных температур катода. Результаты представлены на
странице ''результаты'' во второй таблице (рисунок 5):
Рис 5.
Если экспериментальных данных будет недостаточно для определения тока
насыщения, то будет выдано предупреждающее сообщение.
Панель инструментов
Вся работа с программой ФПЭ-06м осуществляется с помощью панели
инструментов, находящейся в нижней части окна программы, нажатием левой
76
кнопки "мыши" в области соответствующей пиктограммы. При движении курсора "мыши" внутри областей пиктограмм появляется короткая подсказка о выполняемом действии.
Метод измерения
Измеряя на опыте зависимость тока насыщения от температуры, можно
определить работу выхода для данного металла. В нашем случае для определения работы выхода используем метод прямых Ричардсона. Поясним идею метода. Для этого прологарифмируем уравнение
, (1)
в результате чего получим:
. (2)
Переходя к десятичным логарифмам, получаем:
. (3)
Заменив в (3) lg e его численным значением, равным 0,43, будем иметь:
. (4)
Такой вид уравнения удобен для его экспериментальной проверки. Гра-
фик зависимости
от
является прямой линией с угловым коэффициентом 0,42 A
/k. Определив тан-
вых
генс угла наклона прямой к оси абсцисс, рассчитываем работу выхода:
. (5)
77
Для построения графика необходимо знать плотность анодного тока
насыщения и температуру катода. Температуру катода можно определить следующим образом. Подводимая к катоду мощность расходуется в вакуумной
лампе в основном на тепловое излучение. Для вольфрама была экспериментально определена зависимость температуры катода от расходуемой на его
нагрев мощности, приходящейся на единицу площади поверхности катода. На
графике, который прилагается к работе, приведены результаты этих измерений.
По этому графику, зная мощность, подводимую к катоду, можно определить
его температуру.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Ознакомиться с методом определения работы выхода электрона из металла. Упрощенная электрическая схема установки представлена на рис.1.
Рис. 1.
2. Подключить кассету ФПЭ-06м соединительным кабелем к источнику
питания, при этом тумблер питания должен находиться в положении "Выключено". Все ручки регулирования напряжения на блоке питания перевести в
крайнее против часовой стрелки положение. Амперметр на панели источника
питания служит для контроля тока накала I
, максимальное значение которого
нак
не должно превышать 2 А; ток накала также отображается на экране монитора в
окне отображения измеряемых величин Плавная регулировка напряжения накала осуществляется ручкой, расположенной под амперметром. Напряжение
накала U
измеряется вольтметром, при этом переключатель выбора диапазо-
нак
78
на напряжений должен быть установлен в положение 2.5–4,5В. При переключении переключателя в положение 10–120В вольтметр на панели источника питания будет измерять анодное напряжение. Ток анода, также как и другие измеряемые величины отображаются на экране монитора.
3. Запустить программу ФПЭ-06м.ехе. Включить питание кассеты ФПЭ-06м.
4. Установить напряжение накала 3.5 В и, увеличивая анодное напряже-
ние от 10 до 100 В через каждые 5 В (или 10 В), записать значения анодного то-
ка в таблицу экспериментальных результатов используя кнопку . Внимание, в процессе проведения эксперимента ток и напряжение накала изменяться
не должны!
5. Провести измерения (пункты 2–4) для любых пяти значениях напряжения накала в интервале от 3,5 до 4,5В.
После проведения эксперимента автоматически будет определен ток
насыщения. Если данных недостаточно, то на экран выводится соответствующее предупреждение. В этом случае необходимо вернуться в режим измерений
и продолжить выполнение работы.
6. Для всех значений напряжения накала рассчитать мощность, выделяемую на катоде, по формуле P=U I, а также мощность, приходящуюся на единицу площади поверхности катода. Для данной лампы площадь поверхности катода принять S=0.0352 cм2.
7. По графику зависимости температуры катода от P/S определить температуру катода для каждого значения мощности нагрева.
8. Рассчитать плотность анодного тока насыщения по формуле
.
79
9. Все полученные данные занести в таблицу 2.
10. Построить график зависимости
от .
11. Определить тангенс угла наклона полученной прямой к оси абсцисс, и
рассчитать работу выхода по формуле
.
12. Рассчитать погрешность измерений по правилу графической обработ-
ки результатов измерений.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что называется работой выхода электрона?
2. Какова природа сил, удерживающих электроны в металле?
3. Нарисуйте и объясните вольт-амперную характеристику диода.
4. Что такое ток насыщения и как он зависит от температуры?
5. Объясните физическую природу закона трех вторых.
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]