- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Задание 1. Определение входной емкости осциллографа с0
- •Задание 2. Определение диэлектрической проницаемости твердого диэлектрика
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Перепишем соотношение (1.7) в виде
- •Так как объемная плотность энергии электрического поля
- •Экспериментальная часть
- •Лабораторная работа 2-03 Определение емкости конденсаторов при помощи мостиковой схемы
- •Теоретическое введение
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Определение удельного сопротивления проводника
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов измерений
- •Изучение температурной зависимости сопротивления металлов и полупроводников
- •Фрагмент 2
- •Экспериментальная установка
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная установка
- •Контрольные вопросы
- •Изучение зависимости мощности и кпд источника тока от величины нагрузки
- •Теоретическое введение
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Экспериментальная часть Приборы и оборудование
- •Методика измерений
- •Экспериментальная установка
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Теоретическое введение
- •Принципиальная электрическая схема
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Изучение работы осциллографа
- •Введение
- •Контрольные вопросы.
- •1. Савельев и.В. Курс обшей физики: Электричество и магнетизм.Волны. Оптика: Учебное пособие. T.2.- 2-е изд.- м.:Наука. 1982.-§ 73. -с.210-212.
- •Проверка закона Био-Савара-Лапласа и определение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли
- •Теоретическое введение
- •Лабораторная работа 2-15 Изучение эффекта Холла в полупроводнике
- •Измерительная установка и методика измерений
- •Задание
- •Порядок действий.
- •Контрольные вопросы
- •Теоретическое введение
- •Приборы и оборудование
- •Методика измерений
- •По закону Фарадея эдс индукции по вторичной обмотке
- •Из выражения (5.15) и (5.16) получаем
- •Экспериментальная установка
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Метод измерения
- •Индукция магнитного поля соленоида, длина l которого соизмерима с диаметром d:
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Определение удельного заряда электрона с помощью индикатора 6е5с
- •Введение.
- •Описание метода и установки.
- •5. Зисман г.А. Тодес о.М. Курс общей физики. Электричество.-4-е изд. -м.: Наука. 1972. - § 36,37. С.226-238.
- •Теоретическое введение
- •Функциональная схема представлена на рисунке 7.7 где:
- •Контрольные вопросы
- •Изучение явления резонанса в колебательном контуре
- •Теоретическое введение
- •Электрическая схема установки
- •Экспериментальная часть
- •Контрольные вопросы
- •Теоретическое введение
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Контрольные вопросы
Порядок выполнения работы
Перед включением установки проверить, чтобы ручка реостата была повернута по часовой стрелке до упора (реостат полностью введен).
1. Ознакомьтесь с установкой и включите ее.
2. Подготовьте таблицу 1 для записи результатов эксперимента и расчета.
3. Изменяя сопротивление от максимального значения (реостат полностью введен) до минимального (реостат выведен), записать 10-12 значений тока I и напряжения U во всем интервале изменения в таблицу 1.
Таблица 1.
Номер опыта |
I, А |
U, В |
, В |
r , Ом |
R, Ом |
P, Вт |
PН , Вт |
|
1 . . . 12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
среднее |
– |
– |
|
|
– |
– |
– |
– |
4. Вычислите значение ЭДС по формуле (9), взяв пары значений и напряжений, отстоящих друг от друга на половину числа произведенных измерений (например, при 12 измерениях взять I1 и I7:
;
затем I2 и I8 ; I3 и I9 и т.д.). Найдите среднее значение ЭДС.
5. Вычислите для всех измерений тока и результаты занесите в таблицу 1:
-
сопротивление внешней цепи ;
-
сопротивление источника тока и среднее rср;
-
полную мощность ;
-
полезную мощность РН = I . U ;
-
коэффициент полезного действия .
6. Построить графики: РН = f(R); P = f(R); = f(R)
7. Определить сопротивление внешней цепи R, соответствующее максимальному значению полезной мощности РН.
8. Сделать выводы.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение ЭДС источника тока.
2. Выведите формулы для полезной, для полной мощности и для КПД (5-7).
3. Покажите, как получится условие максимальной полезной мощности.
3. Запишите закон Ома для участка цепи, для полной цепи.
4. Когда возникает короткое замыкание? Чему равна при этом мощность?
5. Оценить погрешности измерительных приборов, используемых в работе.
6. Оценить погрешности измерений полезной мощности и кпд источника тока.
7. Сформулируйте правила Кирхгофа для разветвленных цепей.
Литература
1. Трофимова, Т.И. Курс физики/ Т.И. Трофимова.-М.: Высш. шк., 1999.-542 с., § 96-101.
2. Детлаф, А.А. Курс физики: Учеб. пособие для втузов/ А.А. Детлаф, В.М. Яворский. - М.: Высш.шк., 2002.- 718 с., § 19.1-19.3.
Лабораторная работа 2-09
Определение работы выхода электронов из металла. (ФПЭ-06)
ВАРИАНТ 1 (новая установка)
Цель работы: построение и изучение вольт-амперной характеристики двухэлектродной лампы (диода); исследование зависимости плотности тока насыщения термоэлектронной эмиссии от температуры катода и определение работы выхода электрона из вольфрама методом прямых Ричардсона.
Теоретическая часть
Свойства металлов в значительной степени определяются состоянием электронов проводимости, т.е. электронов, способных перемещаться в металле.
Распределение энергии электрона для ограниченного металла изображено на энергетической диаграмме (рис. 4.1). 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 электронов обозначены тонкими горизонтальными линиями, заполняющими интервал энергий от дна потенциальной ямы до энергии ЕF. EF – энергия Ферми, максимальная кинетическая энергия, которой может обладать электрон при Т=0 К.
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
, (4.1)
н азывается работой выхода электрона из металла в вакуум при Т=0 К.
При температуре Т>0 К 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, которые способны 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 поверхность металла. 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.
Постоянно одни электроны "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. 4.2). 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 РР. Оба этих физических процесса и определяют величину АВЫХ. При комнатной температуре практически все свободные электроны заперты в пределах проводника, имеется лишь небольшое количество электронов, энергия которых достаточна для того, чтобы преодолеть потенциальный барьер и выйти из металла.
О
1 2
Для наблюдения термоэлектронной эмиссии можно использовать пустотную лампу, содержащую два электрода: накаливаемый током катод и холодный электрод, собирающий термоэлектроны – анод. Такие лампы носят название вакуумных диодов. На рис. 4.3 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.
Кривая, изображающая зависимость силы тока в диоде от анодного напряжения, называется вольт-амперной характеристикой. На рис. 4.4 показаны вольт-амперные характеристики диода при разных температурах катода. Когда потенциал анода равен нулю, сила тока мала, она определяется лишь самыми быстрыми термоэлектронами, способными достигнуть анода. При увеличении положительного потенциала анода сила тока возрастает и затем достигает насыщения, т.е. почти перестает зависеть от анодного напряжения.
При увеличении температуры катода увеличивается и значение тока, при котором достигается насыщение. Одновременно увеличивается и то анодное напряжение, при котором устанавливается ток насыщения.
Таким образом, вольт-амперная характеристика диода оказывается нелинейной, т.е. не выполняется закон Ома. Это объясняется тем, что при термоэлектронной эмиссии у поверхности катода создается довольно большая плотность электронов. Они создают общий отрицательный заряд, и электроны, вылетающие с малой скоростью, не могут его проскочить. С увеличением анодного напряжения концентрация электронов в облаке пространственного заряда уменьшается. Поэтому и тормозящее действие пространственного заряда делается меньше, а анодный ток растет быстрее, чем в прямой зависимости от анодного напряжения.
Теоретическая зависимость анодного тока от анодного напряжения на участке 1 – 2 (рис. 4.4) была получена Ленгмюром и Богуславским. Она называется еще “законом трех вторых”:
По мере роста анодного напряжения Uа все больше электронов, вылетевших из катода, достигает анода. При определенном значении анодного напряжения Ua все вылетевшие из катода за единицу времени электроны 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 площади поверхности катода S, вычисляется по формуле Ричардсона – Дешмена:
(4.2)
где В – эмиссионная постоянная; 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.