3. Приборы и принадлежности

1) Модуль ФПЭ-07.

2) Источник питания (генератор сигналов ГЗ-118).

3) Осциллограф С1-73.

4. Порядок выполнения работы

Снятие петли гистерезиса.

1) Включить приборы (осциллограф и генератор) лабораторной установки в сеть.

2) Изучить схему подключения приборов и образца на модуле ФПЭ-07. Сравнить ее с рисунком, приведенным в данной инструкции.

3) Через 2 – 3 мин. после включения приборов в сеть изучите работу осциллографа. Обратите внимание на ручки горизонтального и вертикального отклонения луча и ручку «усиление». Не прилагая больших усилий, поворачивайте эти ручки и наблюдайте изменения, происходящие на экране осциллографа. По сетке на экране определите высоту и ширину наблюдаемых фигур.

4) На передней панели генератора найдите ручку «Рег. выхода». Вращая эту ручку, оцените изменения, происходящие на экране осциллографа.

5) С помощью рукояток «усиление по вертикали» и «Рег. выхода» добейтесь того, чтобы петля гистерезиса имела участок насыщения и занимала большую часть экрана.

6) Вычертить петлю гистерезиса на бумаге, выбирая по осям х и у такой же масштаб, как и на координатной сетке осциллографа.

7) Используя этот рисунок и выражения (14) определите остаточную индукцию и коэрцитивную силу образца.

Определение основной кривой намагничивания.

8) Получите петлю гистерезиса, как указано в п. 5 .

9) Уменьшая величину намагничивающего тока получить не менее 5 петель гистерезиса. Для каждой петли записать координаты х и у их вершин в таблицу.

10) По формулам (14) определите значения напряженности Н и индукции В, соответствующих вершинам каждой петли гистерезиса и запишите их в таблицу.

11) Используя формулу (2), определите магнитную проницаемость.

12) По результатам вычислений постройте начальную кривую намагничивания и зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля.

Таблица

№ петли	nx	ny	Ux, В	Uy, В	B, Тл	H, А/м	μ
1
2
3
4
5

5. Контрольные вопросы

1)Что называется магнитным моментом?

2)Назовите основные свойства диа-, пара- и ферромагнетиков.

3)Какая величина называется намагниченностью?

4)Какова причина спонтанной намагниченности доменов в ферромагнетиках?

5)В чем заключается явление магнитного гистерезиса?

6)Что означает насыщение ферромагнетика?

7)Какая величина называется остаточной индукцией?

8)Какая величина называется коэрцитивной силой?

9)Показать, что напряжение на Х-входе осциллографа пропорционально напряженности магнитного поля.

10)Показать, что напряжение на Y-входе осциллографа пропорционально индукции магнитного поля.

Лабораторная работа № 23 Определение работы выхода электронов из металла

Цель работы: построение и изучение вольт-амперной характеристики диода; исследование зависимости плотности тока насыщения термоэмиссии от температуры катода и определение работы выхода электрона из вольфрама методом прямых Ричардсона.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Носителями тока в металлах являются свободные электроны. Существование свободных электронов в металлах можно объяснить следующим образом: при образовании кристаллической решетки металла (в результате сближения изолированных атомов) валентные электроны, сравнительно слабо связанные с атомными ядрами, отрываются от атомов металла, становятся «свободными» и могут перемещаться по всему объему. Таким образом, в узлах кристаллической решетки располагаются ионы металла, а между ними хаотически движутся свободные электроны, образуя своеобразный электронный газ, обладающий, согласно электронной теории металлов, свойствами идеального газа.

Как показывает опыт, свободные электроны при обычных температурах практически не покидают металл. Следовательно, в поверхностном слое металла должно быть задерживающее электрическое поле, препятствующее выходу электронов из металла. Работа, которую нужно затратить для удаления электрона из металла в вакуум, называется работой выхода. Укажем две вероятные причины появления работы выхода:

1) Если электрон по какой-то причине удаляется из металла, то в том месте, которое электрон покинул, возникает избыточный положительный заряд и электрон притягивается к индуцированному им самим положительному заряду.

2) Отдельные электроны, покидая металл, удаляются от него на расстояния порядка атомных и создают тем самым над поверхностью металла «электронное облако», плотность которого быстро убывает с расстоянием. Это облако вместе с наружным слоем положительных ионов решетки образует двойной электрический слой, поле которого подобно полю плоского конденсатора. Толщина этого слоя равна нескольким межатомным расстояниям (10^-10…10^-9м). Он не создает электрическое поле во внешнем пространстве, но препятствует выходу свободных электронов из металла.

Работа выхода зависит от химической природы металлов и от чистоты их поверхности и колеблется в пределах нескольких электрон-вольт (эВ, 1 эВ=1,6·10^-19Дж). Например, у калия А=2,2 эВ, вольфрама А=4,5 эВ, платины А=6,3 эВ. Если на поверхность вольфрама нанести слой оксида щелочно-земельного металла, то работа выхода снижается до 2 эВ.

Если сообщить электронам в металлах энергию, необходимую для преодоления работы выхода, то часть электронов может покинуть металл, в результате чего наблюдается явление испускания электронов, или электронная эмиссия. В зависимости от способа сообщения электронам энергии различают термоэлектронную, фотоэлектронную, вторичную электронную и автоэлектронную эмиссии.

Термоэлектронная эмиссия – это испускание электронов нагретыми металлами. Концентрация свободных электронов в металлах достаточно высока, поэтому даже при средних температурах некоторые электроны обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера на границе металла. С повышением температуры число электронов, кинетическая энергия теплового движения которых больше работы выхода, растет, и явление термоэлектронной эмиссии становится заметным. Исследование закономерностей термоэлектронной эмиссии можно провести с помощью простейшей двухэлектродной лампы – вакуумного диода, представляющего собой откачанный баллон, содержащий два электрода: катод К и анод А. В простейшем случае катодом служит нить из тугоплавкого металла (например вольфрама), накаливаемая электрическим током. Анод чаще всего имеет форму металлического цилиндра, окружающего катод. Если диод включить в цепь, как показано на рис.1,

I_a

I_2нас

Т₂

U_a I_1нас

Т₁

U_H U_a

Рис.1 Рис.2

то при накаливании катода и подаче на анод положительного напряжения (относительно катода) в анодной цепи диода возникает ток. Если поменять полярность батареи U_a , то ток прекращается, как бы сильно катод ни накаливали. Следовательно, катод испускает отрицательные частицы – электроны.

Если поддерживать температуру катода постоянной и снять зависимость анодного тока I_a от анодного напряжения U_a (вольтамперную характеристику) (рис.2), то оказывается, что она не является линейной, т.е. для вакуумного диода закон Ома не выполняется. Зависимость термоэлектронного тока I_a от анодного напряжения в области малых положительных значений U_a описывается законом трех вторых (закон Богуславского-Ленгмюра):

, (1)

где В – коэффициент, зависящий от формы и размеров электродов, а также их взаимного расположения.

При увеличении анодного напряжения ток возрастает до некоторого максимального значения I_нас, называемого током насыщения. Это означает, что почти все электроны, покидающие катод, достигают анода, поэтому дальнейшее увеличение напряженности поля не может привести к увеличению термоэлектронного тока. Следовательно, плотность тока насыщения характеризует эмиссионную способность материала катода.

Плотность тока насыщения определяется формулой Ричардсона-Дешмана, выведенной на основе квантовой статистики:

, (2)

где А – работа выхода электронов из катода; k=1,38^.10^-23Дж/К – постоянная Больцмана; Т – температура катода, K; С – постоянная, теоретически одинаковая для всех металлов.

На рис.2 представлены вольт-амперные характеристики для двух температур катода Т₁ иТ₂,причемТ₂>Т₁. С повышением температуры катода испускание электронов с катода интенсивнее, при этом увеличивается и ток насыщения. ПриU_a=0наблюдается анодный ток, т.е. некоторые электроны, испускаемые катодом, обладают энергией, достаточной для преодоления работы выхода и достижения анода без приложения анодного напряжения.

2. ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ 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.

Прологарифмируем уравнение (2):

(3)

Переходя к десятичным логарифмам, находим

(4)

Подставляяlg e = 0,43 , имеем

(5)

Такой вид уравнения удобен для его экспериментальной проверки.

График зависимости lg(j_нас/Т²) от1/Тявляется прямой линией с угловым коэффициентом 0,43·А/k.

Определив тангенс наклона прямой к оси абсцисс, рассчитаем работу выхода:

(6)

Для построения графика необходимо знать плотность анодного тока насыщения j_нас и температуру катода. Для вольфрама была экспериментально определена зависимость температуры катода от расходуемой на его нагрев джоулевой мощности, приходящейся на единицу площади поверхности катода, и установлено, что при токе накала I_н= 1,6А температура катода 2300К, при I_н=1,7А; Т=2400К, а при I_н=1,8А, Т=2500К.