Лабы Физика 2 семестр / Лабораторая работа №2.4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.4

«ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ

НА ПРИМЕРЕ ЭЛЕКТРОВАКУУМНОГО ДИОДА»

Цель работы: определение температуры катода и работы выхода электронов из катода.

Теоретическая часть.

Термоэлектронная эмиссия (ТЭ) – испускание электронов нагретыми твердыми (реже жидкими) телами. Для большинства веществ ТЭ наблюдается при температурах значительно выше комнатной ~ 2000-2500 К.

Явление термоэлектронной эмиссии можно объяснить с позиций современной теории о строении металлов. Металл представляет собой кристаллическое тело, в узлах кристаллической решетки которого расположены положительно заряженные ионы. Между ионами находятся валентные электроны, способные свободно перемещаться внутри металла (электроны проводимости). При нагревании металла скорость электронов увеличивается и при высокой температуре они приобретают большую энергию и способны вылететь за пределы проводника. После вылета электронов на поверхности металла появляется избыточный положительный заряд, который не дает электрону далеко улететь.

Расстояние, на которое удаляются электроны ~10^-10 – 10^-9 м. Вблизи поверхности металла существует задерживающее электрическое поле, количественно определяемое разностью потенциалов Δφ. Чтобы преодолеть это поле, электрон должен обладать дополнительной энергией.

Энергия, необходимая для выхода электронов за пределы металла называется работой выхода A_вых=q_eΔφ.

Работа выхода зависит от природы металла, покрытия их поверхности и колеблется в пределах нескольких электрон-вольт (эВ) (1эВ=1,6·10^-19 Дж).

Прибором, с помощью которого изучается ТЭ может служить электровакуумный диод. Схематическое устройство такого диода показано на рис. 2. Проволока из чистого металла или покрытая слоем исследуемого вещества (катод) окружена цилиндрическим металлическим анодом и помещена в вакуумный баллон (~10^-6 Па).

Проволока нагревается до определенной температуры током накала. Нагретый катод испускает электроны, которые образуют электронное облако около поверхности катода. Основная часть электронов не может совсем уйти из катода, так как на них действует кулоновская сила притяжения со стороны катода. Электроны вылетают и снова возвращаются на катод, так что устанавливается динамическое равновесие. Только наиболее быстрые электроны достигают анода и создают слабый начальный ток в отсутствии напряжения на аноде.

Если на анод подать положительное напряжение, электроны будут притягиваться к аноду, в цепи возникает ток и электронное облако будет рассасываться. Величина тока зависит от плотности электронного облака (т.е. температуры катода) и от величины положительного напряжения на аноде. Если напряжение на аноде будет такое, что каждый электрон, вылетевший из катода попадет на анод, то величина анодного тока будет зависеть только от температуры катода, установится ток насыщения I_нас.

Зависимость тока диода от анодного напряжения называется вольтамперной характеристикой диода (ВАХ).

Плотность тока насыщения j_нас (ток с единицы площади поверхности катода) зависит от температуры катода T и от работы выхода электронов из металла A_вых

,

где k – постоянная Больцмана (k=1,38·10^-23), A –постоянная.

Ток насыщения пропорционален плотности тока насыщения j_нас, поэтому формулу Ричардсона можно записать

.

Логарифмируя, получаем:

,

.

Таким образом, зависимость от носит линейный характер (график – прямая линия), а угловой коэффициент этой прямой определяется работой выхода.

Измерение температуры катода. В диапазоне температур 300-2500 К сопротивление катода линейно зависит от температуры

R_к=α(T-B)

гдеα и B постоянные величины, определяемые свойствами металла, из которого изготовлен катод. В нашей лабораторной работе B=50 K.

Измерив сопротивление катода при комнатной температуре T₀

и сопротивление R_к при неизвестной температуре T (температура изменяется током накала катода)

,

где U_к – напряжение на катоде, U₀ – напряжение на сопротивлении R₀,

определяем температуру катода по формуле:

.

Описание установки.

Лабораторная работа 47-1 выполняется на комплексе ЛКЭ-4.

Передняя панель комплекса выглядит следующим образом:

Рисунок 5

Электрическая схема:

Рисунок 6

Порядок выполнения работы.

Задание 1. Нахождение сопротивления катода R_к0 при комнатной температуре.

1. Регуляторы накала катода U_н и анодного напряжения U_а – в крайнее левое положение. Тумблер имп/пост – в среднее положение. Тумблер +100 В/-2В – в положение 100 В.

2. Включить стенд в сеть.

3. Желтым проводом соединить гнезда 3 и 5. Это будет соответствовать электрической схеме:

Рисунок 7

4. Подключить нижний мультиметр

красный провод – гнездо 6

черный провод – гнездо 0^´ (общий).

Установить переключатель мультиметра в положение 200 (200 В). Установить регулятором анодного напряжения на мультиметре U_а ≈60 В.

5. Измерить падение напряжения U₀ на резисторе R₀

красный провод – гнездо 1

черный провод – гнездо 0

Установить предел измерения мультиметра в положение 200m (мВ) и записать значение U₀.

6. Измерить падение напряжения на катоде U_к

красный провод – гнездо 3

черный провод – гнездо 2

Установить предел измерения мультиметра в положение 200m (мВ) и записать значение U_к.

7. Повторить пункты 4-6 для напряжения на аноде U_а≈90 В. Результаты записать в таблицу.

T₀ = R₀ = 5 Ом

Uа, В	U0, мВ	Uк, мВ

Задание 2. Измерения для расчета работы выхода.

1. Отсоединить нижний мультиметр:

- вынуть из гнезда черный (2) и красный (3) провода;

- желтый провод снять;

- регуляторы U_a и U_н в крайнее левое положение;

- тумблер +100 В/-2В в положение «100 В»;

- тумблер имп/пост в положение «пост».

2. Нижний мультиметр подключить для измерения анодного напряжения U_а

черный провод – гнездо 3

красный провод – гнездо 5

Установить предел измерения мультиметра 200 В.

Установить регулятором U_а максимальное анодное напряжение U_а ≈ 80 В.

Вынуть красный (5) и черный (3) провода из гнезд.

Внимание. Регулятор U_а в дальнейшем не вращать.

3. Установить регулятором U_н ток накала катода I_н = 110 мА. Подождать 2 мин для установления температуры катода.

4. Верхний мультиметр подключить для измерения анодного тока насыщения. Ток насыщения измеряют в режиме вольтметра, подключая мультиметр параллельно участку R_A1=100 кОм

красный провод – гнездо 5

черный провод – гнездо 4

Переключатель - в положение 200m, что соответствует 2 µкА (т.е. для получения J_нас показания вольтметра разделить на 100). В дальнейшем, при переполнении переключатель в положении 2000 m (20 µкА) (т.е. для получения J_нас показания вольтметра разделить на 100), в положение 20 (200 µкА) (т.е. для получения J_нас показания вольтметра умножить на 10). Записать значение тока насыщения I_нас в таблицу.

5. Нижним мультиметром измерить напряжение U₀ на сопротивлении R₀. Переключатель в положение 2000 m (мВ)

красный провод – гнездо 1

черный провод – гнездо 0

Записать значение U₀ в таблицу.

6. Нижним мультиметром измерить напряжение на катоде U_к. Переключатель в положение 2000m (мВ)

красный провод – гнездо 3

черный провод – гнездо 2

Записать значение U_к в таблицу. Красный и черный провод вынуть из гнезд 2 и 3.

7. Изменяя ток накала регулятором U_н до 135 мА с шагом 5 мА повторить п. 3-6.

8. Результаты записать в таблицу.

U_а=

Iн (мА)	U0 (мВ)	Uк (мВ)	Iнас (мкА)
110
115
120
125
130
135

Обработка результатов измерений.

1. Определить сопротивление катода R_к0 при комнатной температуре, используя измерения задания 1 для двух значений по формуле

Значения R_к0 должны отличаться не более чем на 3%.

2. Используя результаты измерения задания 2, определить сопротивление катода R_к при разных токах накала

3. Рассчитать температуры катода при разных токах накала по формуле

B=50 К для вольфрама с добавками

4. Заполнить таблицу.

U_а=

Iн (мА)	U0 (В)	Uк (В)	Rк (Ом)	T (К)	Iнас (мкА)

5. Построить графики I_нас= f (T) и = f (1/T).

6. Вычислить в электрон-вольтах (эВ) работу выхода A_вых из вольфрама по угловому коэффициенту прямой графика = f (1/T). Для этого тангенс угла наклона прямой нужно умножить на постоянную Больцмана (k=1,38·10^-23).

Контрольные вопросы.

1. Что называется явлением термоэлектронной эмиссии?

2. Почему на границе металла образуется двойной электрический слой, препятствующий вылету электронов?

3. Что называется работой выхода электронов из металла?

4. Объясните принцип работы вакуумного диода.

5. Объясните качественный ход вольтамперной характеристики вакуумного диода.

6. Почему при увеличении температуры катода увеличивается I_нас?

7. Объясните методику нахождения температуры катода, сопротивления катода.

8. Объясните методику нахождения работы выхода.

8