Методички по лабам(физика) / lab205

3

Цель работы: изучение явления термоэлектронной эмиссии на примере диода 4Ц 14С.

Задача: определение работы выхода электронов из вольфрама.

Приборы и принадлежности: источник питания, вольтметр, кассета ФПЭ 06/05, прибор комбинированный цифровой Щ 4313 (микроамперметр).

ВВЕДЕНИЕ

Свободные электроны внутри металла при обычных температурах практически его не покидают, так как их удерживают электрические силы. Возникают эти силы в результате:

1.Удаления по какой-то причине электрона из металла, при этом возникает избыточный положительный заряд в том месте, которое электрон покинул, поэтому электрон притягивается к индуцированному им самим положительному заряду.

2.Теплового движения, когда некоторые электроны могут выйти за поверхность металла, образуя электронное «облако» толщиной порядка нескольких межатомных расстояний. Это облако вместе с наружным слоем положительных ионов решетки образует двойной электрический слой, поле которого подобно полю плоского конденсатора и которое

препятствует дальнейшему вылету электронов из металла.

Для вырывания электрона из металла нужно совершить определенную работу А, называемую работой выхода:

где е – заряд электрона; Δφ – поверхностный скачок потенциала.

Работа выхода зависит от природы металла, состояния его поверхности и выражается в электрон-вольтах (1 эВ = 1,6 ∙ 10-19 Дж).

По мере повышения температуры появляется все большее число электронов, кинетическая энергия которых превышает работу выхода электрона из металла, вследствие чего часть электронов выходит за его пределы. Это явление называется термоэлектронной эмиссией. Термоэлектронная эмиссия лежит в основе устройства электронных ламп. Простейшая двухэлектронная лампа – вакуумный диод – представляет собой стеклянный баллон, из которого выкачен воздух до давления 10-8 мм рт. ст., содержащий два электрода; катод К в виде тонкой нити из тугоплавленого металла, накаливаемой электрическим током, и анод А, выполненный обычно в форме цилиндра, окружающего катод. При накаливании катода и подаче

4

на анод положительного напряжения в анодной цепи диода возникает ток Iа, называемый анодным. Опыт показывает, что сила тока Iа зависит от температуры катода и от разности потенциалов между катодом и анодом. Зависимость анодного тока Iа от анодного напряжения Ua, так называемая вольт-амперная характеристика (рис. 1), при постоянной температуре ка-

ный при данной температуре катода, называется током насыщения. С повышением температуры катода испускание электронов с катода становится интенсивнее, при этом увеличивается и ток насыщения. При Uа = 0 наблюдается анодный ток, т. к. некоторые электроны, эмитируемые катодом, обладают энергией, достаточной для преодоления работы выхода и достижения анода без электрического поля.

Зависимость термоэлектронного тока I от анодного напряжения в об-

где В – коэффициент, зависящий только от формы, размеров и взаимного расположения электродов.

Зависимость тока эмиссии при насыщении I от абсолютной температуры металла Т определяется формулой Ричартсона-Дешмана, выведенной

5

где C – постоянная, различная для металлов; S – площадь поверхности металла; k – постоянная Больцмана; А – работа выхода электронов; е – основание натуральных логарифмов.

Явление термоэлектронной эмиссии нашло широкое практическое применение в различных электровакуумных приборах: электронные лампы, электронно-лучевые и рентгеновские трубки, диоды, электронные микроскопы и т. д.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНОВ

Установка состоит из источника питания 1, который позволяет осуществлять накал катода диода в пределах 2,5 – 5 В и изменять его анодное напряжение в интервале 0 80 В (V1) (рис. 2). Напряжение накала катода измеряется вольтметром V2 3, а анодный ток фиксируется с помощью цифрового микроамперметра 4. Кассета ФПЭ 06/05, в которой находится диод, соединена с источником питания специальным кабелем.

Рис. 2. Схема установки

Работа выхода электронов из вольфрама, катодной нити диода, определяется на основании формулы (3). Запишем это выражение для двух значений токов (I1 и I2), которые соответствуют двум температурам Т1 и Т2:

6

Разделив первое выражение на второе и умножив обе части полученного

тока насыщения при одном и том же напряжении и соответствующие им две температуры накала нити катода (Т1 и Т2).

Значения силы тока насыщения I1 и I2 можно взять из двух вольтамперных характеристик, снятых для температур накала Т1 и Т2 для одного и того же анодного напряжения, которое соответствует току насыщения

(см. рис. 1).

Температуру накала нити можно найти, используя формулу зависимости сопротивления нити от температуры Rt = R0(1 + t), где Rt – сопротивление при температуре t; R0 – сопротивление при 0 0С и – температурный коэффициент сопротивления (для вольфрама = 0,0046 град-1). Отсюда

Сопротивление Rt с достаточной степенью точности определяется по напряжению Uн на нити накала и силе тока в цепи накала Iн

t Iн

Сопротивление R0 определяется экспериментально и равно 0,185 Ом.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Включить источник питания, микроамперметр и прогреть в течение 1 – 2 минут.

7

2.Установить напряжение на нити накала Uн1 = 3,8 В, снять показание силы тока Iн1 в цепи накала и данные для вольт-амперной характери-

стики, изменяя через 5 В напряжение Uа на аноде до получения тока насыщения.

3.Установить напряжение на нити накала Uн2 = 4,8 В и вновь снять Iн2 в цепи накала и данные для вольт-амперной характеристики.

4.Результаты измерений и вычислений записать в таблицу.

5.Построить вольт-амперные характеристики на одной координатной сетке для фиксированных значений напряжений на накале, а следовательно, и температур, при которых снимались эти характеристики.

6.Определить по формуле (6) сопротивление нити накала для каждой па-

ры значений силы тока Iа и напряжения Uа, а затем рассчитать по формуле (5) температуру нити накала для каждого значения сопротивления нити накала. Температуру выразить по шкале Кельвина.

7.По формуле (4) определить работу выхода электрона. Данные для расчета взять из вольт-амперных характеристик для напряжения U = 15 20 В. Работу выхода электрона выразить в электрон-вольтах.

8.Полученное значение сравнить с табличным.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.В чем заключается явление термоэлектронной эмиссии?

2.Что называется работой выхода электрона и какими единицами она измеряется? Что такое «поверхностный скачок потенциала»?

3.От чего зависит работа выхода электронов из металла?

4.Что представляет собой вольт-амперная характеристика?

8

5.Что такое ток насыщения? Почему он возникает?

6.Как объяснить существование анодного тока при Uа = 0?

7.Как устроен вакуумный диод? Для каких целей применяются диоды?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Трофимова Т. И. Курс физики / Т. И. Трофимова. – М.: Высш. шк., 2002.

– 542 с.

2.Детлаф А. А. Курс физики / А. А. Детлаф, В. М. Яворский. – М.: Высш.

шк., 2003. – 335 с.

3.Фриш С. Э. Курс общей физики: в 3 т. / С. Э. Фриш, А. В. Тимофеева – М.: Высш. шк., 1989. т. 2. 428 с.

4.Чепуренко В. Г. Руководство к лабораторным работам по физике / В. Г. Чепуренко – Киев: Киевский университет, 1963. – С. 138-141.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНОВ ИЗ МЕТАЛЛА

Методические указания к лабораторной работе № 205 для студентов всех специальностей всех форм обучения

Анатолий Васильевич Орехов

Главный редактор Л. А. Суевалова

Редактор Л. А. Суевалова Компьютерная верстка В. Н. Адамович

Подписано в печать . Формат 60х84 1/16.

Бумага писчая. Гарнитура «Таймс». Печать цифровая. Усл. печ. л. 0,52. Тираж 200 экз. Заказ .

Издательство Тихоокеанского государственного университета. 680035, Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136.

Отдел оперативной полиграфии издательства Тихоокеанского государственного университета. 680035, Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136.