Методика определения работы выхода

Непосредственной целью исследования является определение работы выхода электронов из вольфрама на основе изучения вольтамперных характеристик диода. Фактически задача сводится к нахождению значений параметров и, обеспечивающих наилучшую аппроксимацию экспериментальных результатов формулой (6.2). Эта задача упрощается при использовании «метода прямых» Ричардсона, который сводится к линеаризации зависимости (6.2).

Логарифмируя выражение (6.2), получаем:

(6.4)

Здесь величина является линейной функцией вида:

(6.5)

от аргумента , где,.

Таким образом, если построить по экспериментальным данным график зависимости , то он должен иметь вид прямой линии.

По графику можно найти величину , как ординату точки пересечения прямой с осью у, и величину, как угловой коэффициент, характеризующий наклон прямой (тангенс угла наклона). Отсюда получим значения параметров по формулам:

(6.6)

Отметим, что задача нахождения параметров иможет быть решена также численным способом на основе метода наименьших квадратов МНК (см. Приложение 1). Применение такого подхода целесообразно при использовании ЭВМ.

Учитывая соотношение (6.3), для определения необходимо использовать величины плотности тока насыщения, соответствующие значениям. Для их нахождения требуется продолжить линейный участок вольт - амперной характеристики диода до пересечения с осью ординат, как показано на рис.6.2. Точка пересечения дает значение тока. Задача линейной экстраполяции может решаться либо графически, либо численным способом МНК на основе соотношения:

(6.7)

где - угловой коэффициент.

Необходимым условием применения описанного метода является

знание температуры катода при различных токах накала. В данной работе величинаопределяется косвенным способом по измерению электрической мощности накала. Предполагается, что электрическая мощность, подводимая к катоду, расходуется в основном на тепловое излучение. Конвективным теплоотводом через токоподводящие электроды лампы пренебрегаем. Тогда для мощности накаласправедливо соотношение:

(6.8)

где - мощность излучения, отводимая с единицы площади катода,- площадь его излучающей поверхности.

Поскольку температура анода сравнительно невелика, то поток излучения от анода к катоду незначителен. Таким образом, можно считать, что плотность потока энергии, рассеиваемой с поверхности катода, определяется формулой Стефана-Больцмана для теплового излучения:

(6.9)

где - постоянная Стефана – Больцмана;

- степень черноты поверхности катода, которая для вольфрама при характерных температурах накала равна . В результате для определения температуры катода получаем выражение:

(6.10)

Площадь поверхности катода можно найти, зная его длину и диаметр, по формуле:

(6.11)

Для исследуемого диода мм имм.

Порядок выполнения работы

Экспериментальная часть работы состоит из трех этапов:

- измерение мощностей нагрева катода по значениями;

-снятие вольт - амперных зависимостей при различных токах накала;

-экспериментальное определение токов насыщения I при различных токах накала.

Схема лабораторной установки приведена на рис.6.3.

Исследуемый диод размещен в модуле «ФПЭ-06/05». На модуль по соединительному кабелю от источника питания ИП» подаются регулируемые напряжения 2,5—4,5 вольта для питания накала катода и 2...120 В для питания анодной цепи.

Сила тока накала измеряется стрелочным амперметром А1, встроенным в источник «ИП», а напряжение накала - внешним цифровым прибором (род работы — «U=»), подключаемым к соответствующим гнездам на панели источника «ИП» (прибор на рис.6.3 не показан).

Сила тока в лампе измеряется цифровым вольтметром В7-40 (род работы «I=»), подключаемым к гнездам «РА» на панели модуля «ФПЭ-06», а напряжение на лампе — другим внешним цифровым вольтметром В7-22А, подключаемым к соответствующим гнездам на панели модуля или встроенным в источник питания стрелочным вольтметром.

Рис.6.3. Электрическая схема лабораторной установки.

Задание 1. Определение температуры катода.

1. Подключите источник питания к модулю «ФПЭ-06», а вход

«0-300» цифрового вольтметра В7-22А к гнездам «2,5... 4,5В» на передней панели «ИП» (см. рис. 6.3). Нажмите левую клавишу «КОНТРОЛЬ ТОКА» на «ИП».

Установите вольтметр на измерение постоянного напряжения до

20 В.

2. Измеряя ток накала от 1,3 А до 1,7 А через каждые 0,1 А, измерьте соответствующие значения напряжения накала и занесите результаты в таблицу 6.1.

Таблица 6.1

№ п/п
1	2	3	4	5	6	7

З. Вычислите значения абсолютной температуры катода по формуле (6.10) и занесите их в четвертую колонку таблицы 6.1.

Задание 2. Исследование вольт - амперной характеристики диода.

1. Подключите цифровой вольтметр В7—40 (род работы — предел — «АВП») к гнездам «РА» на передней панели модуля «ФПЭ-06» (см.рис.6.3).

Вольтметр В7-22А (род работы «», предел — «200») подключите к гнездам «РV» на той же панели.

2. Установите ток накала 1,5 А и с помощью ручки регулировки «12 — 120 В» изменяйте напряжение от -1 В до +110 В (по цифровому прибору). Занесите измеренные значения тока и напряжения в таблицу 6.2. Тщательнее измеряйте в области малых напряжений (до 20 В).

Постройте на миллиметровой бумаге график зависимости . Убедитесь, что на графике существуют две характерные области: парабола (вспомните закон «трех вторых») и линейная зависимость при насыщении. Установите интервал напряжений, соответствующий линейной области кривой.

Таблица 6.2

№ п/п

Задание 3. Определение тока насыщения, работы выхода и эмиссионной постоянной.

1. Изменяя величину тока накала от 1,3 А до 1,7 А через 0,1 А для каждого значения , проведите измерения вольт - амперных характеристиктолъко в линейной области насыщения для шести различных напряжений 40... 100 В.

Результаты измерений занесите в таблицу 6.3.

2. Построив графики или используя метод «наименьших квадратов» для линейной аппроксимации зависимости , найдите экстраполированные значения токов насыщенияна основе рисунка 6.2 и формулы (6.7).

Запишите полученные величины внизу каждой колонки.

Таблица 6.3

№ п\п
1 … 6

3. Перенесите данные для из последней строки таблицы 6.3 в пятую колонну таблицы 6.1 (см.задание 1). Продолжите вычисления величини, необходимых для определения величини, в колонках 6 и 7 таблицы 6.1.

4. Постройте график зависимости , аппроксимируя ее линейной функцией (6.5). Из графика (или, по возможности, методом «МНК») определите параметры А и В. По формулам (6.6) найдите постояннуюи работу выхода. Последнюю выразите в электронвольтах.