electricity Labworks / 2.1-2.8 Электрический ток / Labwork(electricity)2-7

2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

Лабораторная работа 2.7

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНА КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Цель работы - определение работы выхода электрона калориметрическим методом - путем прямого измерения энергии, уносит электронами при термоэлектронной эмиссии.

При термоэлектронной эмиссия каждый электрон, покидающий катод, уносит с собой определенную энергию. Эта энергия равна сумме работы выхода электрона ϕ и величины 2k(T − T0 ) . Второе слагаемое связано о тем, что электроны, покидающие

катод, имеют некоторую температуру T, а электроны, поступающие к нему по проводнику, имеют температуру проводника T0. Если анодная цепь разомкнута, то число электронов покидающих катод, равно числу электронов, возвращающихся на катод из области пространственного заряда. При замыкании анодной цепи возникает анодный ток I0 и происходит перенос энергии электронами, вследствие чего катод охлаждается. Это явление аналогично переносу энергии молекулами при испарении жидкости. Потери энергии катодом в единицу времени составляют

Ia [ϕ + 2k(T − T0 )]e (1)

где e - заряд электрона, k -постоянная Больцмана.

Перенос энергии электронами можно скомпенсировать увеличением тока накала. Для катода с сопротивлением R при повышении тока накала I на величину ∆ I подводимая мощность увеличивается на 2RI∆ I (∆ I << 1) . Если подобрать приращение

тока накала так, чтобы восстановить прежнюю температуру катода, будет выполняться равенство

Ia [ϕ + 2k(T − T0 )]e = 2RI∆ I (2)

Отсюда

ϕ = 2eRI ∆ IIa − 2k(T − T0 ) (3)

Потери энергии катодом из-за переноса энергии электронами значительно меньше потерь из-за теплового излучения и теплопроводности держателей катода. Но эти, основные, потери не изменяются, так как после компенсации восстанавливается первоначальная температура.

Таким образом, для определения работы выхода электрона нужно измерить приращение тока накала, необходимое для компенсации охлаждения катода после замыкания анодной цепи. Температуру катода достаточно знать лишь приблизительно, так как второй член в формуле (3) примерно на порядок меньше первого. В то же время фиксация восстановления первоначальной температуры катода должна быть точной. Для этого удобно воспользоваться зависимостью сопротивления катода от температуры.

Схема для определения работы выхода электрона калориметрическим методом

Для измерений используется мост постоянного тока, в одно плечо которого включен катод лампы. Чтобы на уравновешивании моста не сказывалось дополнительное падение напряжения на катоде, вызванное протеканием по нему тока эмиссии, анодная цепь подключена к средней точке сопротивления, шунтирующего катод. Сопротивления моста R3 и R4 в 100 раз больше сопротивлений R1 и R2

соответственно; R1 - сопротивление катода, а шунтирующее катод сопротивление примерно в 100 раз больше, чем сопротивление R1 . Мост питается от источника,

работающего в режиме стабилизации тока, так что ток не зависит от сопротивления нагрузки. Для точного измерения малых изменений тока накала служит цепь сопротивления R5 , включаемая параллельно питающей диагонали моста. При

замыкании этой цепи ток питания моста уменьшается на величину тока, проходящего в цепи сопротивления R5 (полный ток источника сохраняемся постоянным, происходит

лишь перераспределение его между мостом и цепью сопротивления R5 ). Благодаря этому малые изменения тока накала прямо отсчитываются по миллиамперметру в цепи сопротивления R5 .

В работе используется лампа с оксидным катодом прямого накала, включенная в диодном режиме (сетки лампы соединены с анодом). Оксидный катод имеет малую работу выхода и позволяет получать большой ток эмиссии при сравнительно низких температурах. Поэтому для него эффект переноса энергии электронами составляет существенно большую часть полной теплоотдачи, нежели для катодов из чистых металлов.

Источником анодного напряжения служит выпрямитель на 30В. Анодный ток измеряется милливольтметром. Направление тока накала можно изменять ключом K3 .

На мосте следует установить значения сопротивлений R2 = 10Om , R4 = 1000Om . Питание моста включают, при замкнутом ключе K1 и разомкнутом ключе K2 . Эти

ключи совмещены в одном тумблере; при замыкании одного размыкается второй ключ. Повышать ток накала нужно постепенно, чтобы не сжечь катод.

Вначале устанавливают ток накала, при котором анодный ток составляет примерно 0,5 мА. Размеряют сопротивление катода, уравновешивая мост. Затем размыкают ключ K1 (при этом одновременно замыкается ключ K2 ). Анодный ток

прекращается, а температура катода и соответственно его электросопоротивление повышается. Изменение сопротивления катода вызывает отклонение стрелки нульгальванометра в измерительной диагонали моста. Подбирают сопротивление R5 так,

чтобы мост вновь оказался уравновешенным. Таким образом, при измерениях осуществляется не компенсация охлаждения катода, а компенсация нагрева его после прекращения анодного тока. Такая процедура измерений позволяет вначале установить подходящую величину анодного тока. Изменение тока накала, необходимое для компенсации, отсчитывают по миллиамперметру в цепи сопротивления R5 .

Значение работы выхода принято измерять в электрон вольтах. Величина 2k(T − T0 ) для оксидного катода равна примерно 0,2эВ.

Задания

1. Соберите схему и проведите измерения при значениях анодного тока примерно 0,5; 1 и 1,5 мА. Каждое измерение нужно провести при обоих направлениях тока накала.

2.Определите работу выхода электрона как среднее значение результатов всех измерений.

3.Оцените систематическую погрешность, связанную с использованием приближенных соотношений (надо учесть ток в ветви R3 − R4 и сопротивление,

шунтирующее катод).

4. Вспомните или придумайте другие способ определения работы выхода электрона.

См. библиографический список:/3 /.

Интернет версия подготовлена на основе издания: Описание лабораторных работ. Часть3. Электричество и магнетизм. Новосибирск: Изд-во, НГУ, 1988

Физический факультет НГУ,1999

Лаборатория электричества и магнетизма НГУ,1999,http://www.phys.nsu.ru/electricity/