Физпрактикум / Физ. Прак / Лабораторная работа №14

Лабораторная работа №14

Определение удельного заряда электрона.

Определение удельного заряда электрона с помощью вакуумного диода.

Принадлежности:

1. Вакуумный диод 2Ц2С

2. Источник питания БУП

3. Милииамперметр 0-15мА

4.Вольтметр 0-150В

5. Амперметр О - 1 - 2 А

6. Реостат

Краткая теория.

Опыт показывает, что сила тока в двухэлектродной электрон­ной лампе (диоде) зависит от температуры катода и от разности потенциалов между катодом. и анодом. При постоянной температуре катода сила анодного тока возрастает с увеличением разности потенциалов V_a= ɸ_a -ɸ_k между электрода­ми. Однако зависимость между силой тока I_a и разностью потенциалов ɸ_a -ɸ_k не выражается законом Ома, а носит более сложный характер и подчиняется закону БОГУСЛАВСКСГО- ЛЭНГМЮРА. Объясняется это тем, что в вакуумной электронной лампе электрическое поле, девствующее на каждый электрон, складывается из внешнего поля, создаваемого разностью по­тенциалов между электродами, и поля, создаваемого всеми ос­тальными электронами, образующими пространственный заряд. Благодаря пространственному заряду при малых анодных на­пряжениях анодный ток может быть значительно меньше воз­можного тока эмиссии катода и постепенно увеличивается при повышении анодного напряжения.

Применительно к диоду с плоскопараллельными электродами вольт-амперная характеристика описывается формулой:

- величина анодного тока (в А),

- диэлектрическая проницаемость вакуума, численно равная

8,85*10^-12 ф/м,

- площадь электрода (в м²),

- расстояние между электродами (в м),

- удельный заряд электрона (в кл/кг),

- анодное напряжение (в В).

Применительно к диоду с цилиндрическими электродами фор­мула Богуславского-Лэнгмюра имеет вид:

, где (2)

- площадь анода (в м2),

- расстояние между анодом и катодом (в м),

- численный коэффициент, зависящий от отношения ,

при ≥10,

Теоретическое рассмотрение вопроса о зависимости анодно­го тока от величины анодного напряжения в вакуумном дио­де (получение формул 1 и 2) было проведено при следующих допущениях:

1. Начальные скорости электронов, эмитируемых като­дом, настолько малы, что можно считать их равными нулю. Так как энергия электронов, покидающих катод, не превышает нес­кольких десятых электроквольта при анодных напряжениях в десятки вольт, это допущение вполне оправдано.

2. Около катода имеется много электронов и анодный ток далек от насыщения.

3. Пространственный заряд создает такое распределе­ние потенциала между катодом и анодом, что непосредственно у поверхности катода напряженность электрического по­ля равна нулю.

Из факторов, приводящих к отклонениям от закона трех вто­рых, наиболее существенными являются следующие;

4. Начальные скорости электронов, эмитируемых катодом, фактически не равны нулю. За счет этого изменяется харак­тер распределения потенциала между электродами; в част­ности, напряженность электрического поля у поверхности ка­тода не равняется нулю.

5. Контактная разность потенциалов между катодом и анодом, т.к. в уравнениях (1) и (2) под напряжением V_a подразумевается истинная величина разности потенциалов между электродами. Влияние контактной разности потенциалов наиболее заметно при малых анодных напряжениях.

6. Асимметрия системы электродов (например, неконцентричность катода и анода).

7. Наличие остатков газа в лампе. При достаточно вы­соких анодных напряжениях происходит ионизация газа. Поло­жительные ионы нейтрализуют действие отрицательного про­странственного заряда, и анодный ток возрастает значитель­но быстрее, чем следует из закона трех вторых.

Перечисленные выше факторы приводят к заметным отклонениям от закона трех вторых и погрешности при определении удельного заряда электрона по формуле (2).Существен­но и то обстоятельство, что величина удельного заряда элек­трона входит в выражение закона трех вторых под знаком квадратного корня. Поэтому при расчете удельного заряда электрона по формуле (2) погрешность соответственно уве­личивается. При снятии вольтамперных характеристик вакуум­ного диода при разных токах накала получается семейство характеристик, несколько различных даже при низких анодных напряжениях (рис.1). Это связано с тем, что при из­менении температуры ка­тода контактная разность потенциалов между катодом и анодом и начальные скорости электронов меняются.

Чтобы уменьшить влияние выше перечисленных факторов на точность результатов определения величины e/m ,необходимо производить измерения при небольших токах накала и при анодных напряжениях в 20-40 в.

Порядок выполнения упражнения.

1. Собрать цепь по схеме рис.2.

2. С помощью реостата R установить ток в цепи накала I_н =1.4А.

3. Изменяя плавно с помощью потенциометра R_n напряжение

на аноде лампы, снять зависимость анодного тока I_а от напряжения на аноде V_a (в пределах от 0 до 80 в).

4. По данным измерений построить графики зависимости I_a =f(V_a) и I_a =f(V_a^3/2)

5. Из второго графика определить угловой коэффициент по­лученной прямой

и по нему рассчитать величину удельного заряда электрона.

Из уравнения (2)

Данные вакуумного диода 2Ц2С:

площадь поверхности анода S=5,37 см²;

расстояние между анодом и катодом r=0,86 см.

При определении углового коэффициента "k" необходимо силу тока брать в амперах, а напряжение в вольтах. Величину удельного заряда электрона можно рассчитать и по формуле (2),зная I_a b V_a по результатам опыта.