ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ Лабораторный практикум по физике Часть 2

3. Задать напряжение Uд и частоту f сигнала генератора (по

указанию преподавателя), подать напряжение на катушку 1 (с помощью переключателя П1), а ЭДС катушки 2 подать на осциллограф (с помощью переключателя П2).

4. Установить подвижную катушку 1 в крайнее положение. Перемещая ее в противоположное крайнее положение через 1 см, записывать значение ЭДС взаимной индукции в цепи катушки 2 в табл. 17.1. Метод измерения ЭДС с помощью электронного осциллографа описан в [6, 11].

5. По формуле (17.10) рассчитать значение M21. Полученные данные занести в табл. 17.1.

6. Поменяв местами катушки L1 и L2 (с помощью переключателей П1 и П2), повторить измерения по пп. 2, 3 и рассчитать М12.

7. Построить графики зависимости М12 и М21 как функции координаты z (z – расстояние между центрами катушек 1 и 2).

Задание 2. Измерение М21 при различных значениях амплитуды питающего напряжения

1.Поставить катушку 1 в среднее положение относительно катушки 2.

2.Задать частоту питающего генератора по указанию преподавателя (например, 104 Гц).

3.Измерить амплитуду ЭДС взаимной индукции ε02 при раз-

личных значениях напряжения Uд в цепи катушки 1 в интервале

0–5 В через 0,1 В.

4. По формуле (17.10) рассчитать М21. Полученные данные занести в табл. 17.2.

Т а б л и ц а 17.2

Uд, В

ε02, В

М21, Гн

40

Задание 3. Измерение М21 при различных частотах питающего напряжения

1.Поставить катушку 1 в среднее положение относительно катушки 2.

2.Задать амплитуду напряжения генератора по указанию преподавателя (например, 2 В).

3.Измерить амплитуду ЭДС взаимной индукции ε02 при

различных частотах звукового генератора от 5 до 20 кГц (не менее

10значений).

4.По формуле (17.10) рассчитать М21. Полученные данные занести в табл. 17.3.

Та б л и ц а 17.3

Контрольные вопросы

1.Сформулируйте закон электромагнитной индукции Фарадея и правило Ленца.

2.В чем состоит явление взаимной индукции?

3.Чему равна ЭДС взаимной индукции двух контуров?

4.От чего зависит коэффициент взаимной индукции?

5.Объясните график зависимости М21 = f (z) , полученный в

данной работе.

Библиогр.: [1, 3, 4].

41

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №18

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНОВ ИЗ МЕТАЛЛА

Цель работы – построить и изучить вольт-амперную характеристику диода; исследовать зависимость плотности тока насыщения термоэмиссии от температуры катода и определить работу выхода электрона из вольфрама методом прямых Ричардсона.

Краткие сведения из теории

Свойства металлов в значительной степени определяются состоянием электронов проводимости, т.е. электронов, способных перемещаться в металле.

Схема энергетических уровней электрона в металле представлена на рис. 18.1. За нулевую энергию здесь выбрана энергия свободного электрона вне металла с кинетической энергией, равной нулю.

Пунктиром изображены незанятые энергетические уровни при Т = 0 К. Энергетические уровни эле ктронов обозначены тонкими горизонтальными линиями, заполняющими интервал энергий от

дна потенциальной ямы с энергией W0 до энергии EF – энергии

Ферми – максимальной кинетической энергии, которой может обладать электрон при Т = 0 К.

Рис. 18.1

42

Электронам, находящимся в потенциальной яме на разных уровнях энергии, для выхода за пределы металла необходимо сообщать разную энергию. Минимальная кинетическая энергия, необходимая для удаления электрона из металла,

называется работой выхода электрона из металла в вакуум при Т = =0 К. При такой температуре электроны находятся в тепловом равновесии, поэтому к энергии Ферми прибавляется еще некоторая тепловая энергия. Величина работы выхода зависит от состояния поверхности металла. Положение уровня Ферми при нагреве металла вплоть до расплавления практически не меняется, но при этом возникает некоторое число (небольшой процент) быстрых электронов, способных преодолеть работу выхода и выйти из металла.

Рассмотрим природу сил, препятствующих выходу электронов из металла и образующих работу выхода Авых. Отдельные электроны проводимости, двигаясь внутри металла с большими скоростями, могут пересекать его поверхность. Вылетевший из металла электрон удаляется от поверхности до тех пор, пока кулоновское взаимодействие с избыточным положительным зарядом, возникшим на месте, которое покинул электрон, не заставит его вернуться обратно.

Одни электроны постоянно «испаряются» с поверхности металла, другие возвращаются обратно. Поэтому металл оказывается окутанным облаком электронов, образующих совместно с наружным слоем положительных ионов двойной электрический слой, подобно плоскому конденсатору. Поле двойного слоя препятствует выходу электронов из металла.

Другой силой, препятствующей выходу электрона из металла, является кулонова сила индуцированного им положительного заряда (рис. 18.2). Эта сила носит название «силы электрического изображения», так как действие распределенного по поверхности проводника заряда эквивалентно действию равного по величине положительного заряда, являющегося зеркальным изображением электрона в плоскости PP. Оба этих физических процесса и определяют величину Авых. При комнатной температуре практически все свободные электроны заперты в пределах проводника, имеется

43

лишь небольшое число электронов, энергии которых достаточно для того, чтобы преодолеть потенциальный барьер и выйти из металла.

Рис. 18.2

Однако электронам можно различными способами сообщить дополнительную энергию. В этом случае часть электронов получает возможность покинуть металл и наблюдается испускание электронов – электронная эмиссия. В зависимости от того, каким способом сообщена электронам энергия, различают типы электронной эмиссии. Если электроны получают энергию за счет тепловой энергии тела при повышении его температуры, можно говорить о термоэлектронной эмиссии. Если энергия подводится светом, то это фотоэмиссия. Если энергия сообщается электронам при бомбардировке извне какими-то другими частицами, наблюдается вторичная эмиссия.

Для наблюдения термоэлектронной эмиссии можно использовать электронную лампу, содержащую два электрода: накаливаемый током катод и холодный электрод, собирающий термоэлектроны, – анод. Такие лампы носят название вакуумных диодов. На рис. 18.3 изображена схема включения такого диода. Ток в этой цепи появляется только в том случае, если положительный полюс батареи соединен с анодом, а отрицательный – с катодом. Это подтверждает, что катод испускает отрицательные частицы – электроны. Сила термоэлектронного тока в диоде зависит от величины потенциала анода относительно катода.

44

значении Ua все вылетевшие из катода за единицу времени элек-

троны достигают анода. Дальнейший рост анодного напряжения не может увеличить силу анодного тока, поскольку достигается насыщение.

Максимальный термоэлектронный ток, возможный при данной температуре катода, называется током насыщения.

При повышении температуры увеличивается скорость хаотического движения электронов в металле. При этом число электронов, способных покинуть металл, резко возрастает. Плотность тока насыщения, т.е. сила тока насыщения на каждую единицу поверхности катода S, вычисляется по формуле Ричардсона – Дешмена:

где В – постоянная эмиссии, k – постоянная Больцмана, k = =1,38 10-23 Дж/К. Плотность тока насыщения характеризует эмиссионную способность катода, которая зависит от природы катода и его температуры.

Приборы и оборудование

ИП – источник питания; 06 – модуль ФПЭ-06; PV – вольтметр. Электрическая схема для проведения опыта представлена на рис. 18.6 и 18.7. В качестве диода в работе используется радиолампа с вольфрамовым катодом прямого накала. Нагрев катода осуществляется постоянным током. Амперметр и вольтметр в цепи накала служат для определения мощности, расходуемой на нагрев катода, что необходимо для определения температуры.

46

Метод 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.

Для этого прологарифмируем уравнение (18.2):

Переходя к десятичным логарифмам, находим

Подставляя lg e = 0,43, получаем

Такой вид уравнения удобен для его экспериментальной проверки. График зависимости lg jнас Т2 от 1Т является прямой линией с угловым коэффициентом 0,43Aвых k . Определив тангенс на-

клона прямой к оси абсцисс, рассчитаем работу выхода:

47

температуры катода от расходуемой на его нагрев джоулевой мощности, приходящейся на единицу площади поверхности катода. На графике, который прилагается к работе, приведены результаты этих измерений. По этому графику, зная мощность, подводимую к катоду, можно определить его температуру.

Порядок выполнения работы

1. Подключить модуль ФПЭ-06 соединительным кабелем к источнику питания (см. рис. 18.6). Амперметр на панели источни-

ка питания служит для контроля тока накала Iн , максимальное

значение которого не должно превышать 2,2 А. Плавная регулировка напряжения накала осуществляется ручкой, расположенной под амперметром. Напряжение накала Uн измеряется вольтметром (РV), который подключается к тем клеммам на источнике питания, где указано напряжение 2,5–4,5 В.

Вольтметр на панели источника питания измеряет анодное напряжение UА, регулировка которого осуществляется ручкой на панели источника питания, расположенной непосредственно под вольтметром.

Для измерения анодного тока IА используется амперметр (РА на рис. 18.7), который подключается на модуле ФПЭ-06 к клеммам РА. Он должен работать в режиме миллиамперметра, измеряя ток до 20 мА.

2. Установить напряжение накала 3,7 В и, увеличивая анодное напряжение от 10 до 100 В через каждые 10 В, записать значения анодного тока в табл. 18.1.

Т а б л и ц а 18.1

Uн=

Iн=

3.Провести измерения (п. 2) для 4–5 любых значений напряжения накала в интервале от 3,7 до 4,3 В.

4.Для каждого значения тока накала построить вольтамперную характеристику и точку перегиба полученной кривой считать точкой насыщения.

48

5. Для всех значений напряжения накала рассчитать мощность, выделяемую на катоде, по формуле P = IнUн , а также мощ-

ность, приходящуюся на единицу площади поверхности катода. Для данной лампы площадь поверхности катода принять равной:

Sп = 3,52 10−2 см2.

6.По графику (рис. 18.8) зависимости температуры катода от P / Sп определить температуру катода для каждого значения мощ-

ности нагрева.

7. Рассчитать плотность анодного тока насыщения по формуле jнас = IнасS , принять S =11 10−6 м2.

8.Все полученные данные занести в табл. 18.2.

Та б л и ц а 18.2

Рис. 18.8

49