Х Рис.1 ід роботи

1. До клем омметра під’єднати досліджуваний провідник, розміщений у термостаті (рис.1).

2. Перемикач “помножити” встановити в те положення, при якому точність вимірювання опору буде максимальною.

3. Виміряти опір досліджуваного провідника при кімнатній температурі.

4.Ввімкнути нагрівник термостата і через кожні 5С вимірювати опір провідника. Вимірювання проводити до температури 80-90С. Дані вимірювання записати в таблицю.

5. Побудувати графік залежності опору провідника від температури .

6. На графіку вибрати прямолінійну ділянку і для кількох пар точок, достатньо віддалених одна від одної, що лежать на цій прямій, обчислити за формулою (5) значення . Обчислених значень повинно бути не менше п’яти.

7. Знайти середнє значення .

8. Середню абсолютну похибку в цій роботі рекомендується розрахувати за спрощеною схемою, методом середнього (за вказівкою викладача).

Таблиці вимірювань

Таблиця 1

№з/п	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
t,C
R, Ом

Таблиця 2

№ з/п	Температурний інтервал	,
Ср.

Контрольні запитання

1. Пояснити природу електричного опору у провідниках першого і другого роду.

2. Пояснити залежність опору провідника від температури при низьких і високих температурах.

3. Записати формулу залежності опору провідника від температури.

4. Яку величину називають температурним коефіцієнтом опору? Яка його одиниця?

5. В чому полягає явище надпровідності?

Лабораторна робота № 3.5 Вивчення вакуумного діода і визначення питомого заряду електрона

Мета роботи: 1) побудувати вольт-амперні характеристики вакуумного діода; 2) визначити питомий заряд електрона.

Теоретичні відомості .

(Теорія до даної роботи описана в конспекті лекцій §3.17)

Відомо, що в металах є електрони провідності, які утворюють своєрідний електронний газ. Вони приймають участь у тепловому русі і утримуються всередині зразка силами електричного походження. Щоб вивести електрон за межі металу, потрібно виконати проти цих сил роботу, яку називають роботою виходу електрона з металу. Для різних металів вона має різні значення.

Оскільки електрон має електричний заряд, то існування роботи виходу показує, що в поверхневому шарі металу існує електричне поле. При переході через поверхневий шар металу потенціал поля змінюється на деяку величину , що називається потенціалом виходу. Між роботою виходу і потенціалом виходу існує очевидний зв’язок

, (1)

де е – модуль заряду електрона (елементарний заряд).

Р

Рис.1

еальність роботи виходу можна пояснити двома причинами. Першою причиною є те, що при тепловому русі електрони можуть на малі віддалі виходити за межі металу і створювати над його поверхнею електронну “атмосферу”. Біля поверхні металу утворюється наче заряджений конденсатор (подвійний електричний шар, від’ємною обкладкою якого є електронна атмосфера, а додатною – шар іонів металу). Другою причиною є те, що електрон, який вирвався з металу, викликає виникнення в металі додатнього позитивного індукційного заряду, рівного за величиною зарядові електрона. Між металом і електроном виникають сили притягання. Ці сили називають силами дзеркального зображення. Робота виходу електрона з металу А дорівнює сумі робіт, що зумовлені цими двома причинами.

Електрон може вилетіти з металу, якщо його кінетична енергія

. (2)

Я

Рис.2

вище випускання електронів металами називається електронною емісією.

Внаслідок розподілу електронів по енергіях в металі завжди є деяка кількість електронів, для яких виконується умова (2). При підвищенні температури металу кількість таких електронів різко зростає і емісія стає помітною.

Я

Рис.3

кщо кінетична енергія електронів в металі збільшується нагріванням, то емісію називають термоелектронною. Явище термоелектронної емісії зручно вивчати за допомогою установки, схема якої зображена на рис.1. Основним елементом схеми є вакуумний діод Д. Це – добре відкачаний металевий або скляний балон, всередині якого є два електроди: катод К та анод А. В даній роботі застосовується вакуумний діод, у якого катод має форму тонкої прямої нитки, а анод – коаксіального з нею циліндра (рис.2). Катод розжарюється струмом від батареї Б. Температуру розжарення можна змінювати регулюванням (за допомогою реостата R) сили струму розжарення . До електродів діода прикладена напруга від випрямляча В. Величину анодної напруги можна змінювати за допомогою потенціометра П і вимірювати вольтметром . Мікроамперметр призначений для вимірювання сили анодного струму . Величина анодного струму залежить від температури катода і анодної напруги.

Графік залежності сили анодного струму від анодної напруги при постійному струмі розжарення називається вольт-амперною характеристикою лампи. На рис.3 зображено три вольт-амперні характеристики вакуумного діода, що відповідають різним температурам розжарення катода. З рис.3 видно, що коли потенціал анода дорівнює нулю, сила струму через діод дуже мала. При збільшенні додатнього потенціалу анода і незмінній температурі катода сила анодного струму зростає згідно з кривою 0-1. При подальшому збільшенні анодної напруги сила анодного струму досягає деякого максимального значення , що називається струмом насичення діода, і майже перестає залежати від анодної напруги (див. криву 1-4 на рис.3). При збільшенні температури катода характеристика зображається кривими 0125, 01236 і т.д. Струми насичення з підвищенням температури катода швидко зростають. Збільшується також і анодна напруга , при якій встановлюється струм насичення. З рис.3 видно, що анодний струм залежить від анодної напруги нелінійно, тобто у вакуумі непридатний закон Ома.

Описана залежність сили струму у вакуумі від напруги пояснюється тим, що внаслідок явища термоелектронної емісії навколо катода утворюється просторовий заряд з електронів (електронна хмаринка). Якщо різниця потенціалів між катодом і анодом дорівнює нулю, кожний з електронів, який вилетів з катода, через деякий час знову повертається на катод внаслідок дії сил притягання. В цьому випадку між катодом і електронною хмаринкою встановлюється динамічна рівновага, при якій кількість електронів, що вилітають за одиницю часу з катода, дорівнює кількості електронів, що повертаються назад.

При наявності невеликої різниці потенціалів частина електронів з електронної хмаринки досягає анода і в колі виникає анодний струм. В результаті цього заряд електронної хмаринки зменшується і зменшується кількість електронів, які повертаються з електронної хмаринки на катод. При зростанні різниці потенціалів між катодом і анодом, анодний струм буде збільшуватися, а заряд електронної хмаринки і кількість електронів, які повертаються на катод, зменшуватися. Коли анодна напруга стає настільки великою, що всі електрони, які випускаються катодом за одиницю часу, доходять до анода, електронна хмаринка зникає, сила струму досягає максимального значення і перестає залежати від анодної напруги.

С.Богуславський та І.Ленгмюр незалежно один від одного показали, що залежність сили струму у вакуумі від напруги має вид

, (3)

де – коефіцієнт, який залежить від форми, розміщення і розмірів електродів лампи та від маси і заряду електрона. Формула (3) є рівнянням кривої 0123 (див. рис.3). Вона називається законом Богуславського-Ленгмюра або “законом 3/2”.

Для діода з коаксіальними циліндричними електродами

, (4)

де – коефіцієнт, який залежить від розмірів електродів, – питомий заряд електрона. Для лампи 1Ц11П, що застосовується в даній роботі, значення коефіцієнта визначено експериментально (відоме).

З формули (4) при заданому і попередньо обчисленому за допомогою (3) можна визначити :

. (5)

Слід зауважити, що закон Богуславського-Ленгмюра справедливий при виконанні певних умов.

1. Анодний струм повинен бути далеким від насичення.

2. Найменше значення анодної напруги не повинно бути дуже малим, щоб не проявлявся вплив контактної різниці потенціалів між катодом і анодом, яка не врахована у формулі (3), та вплив можливої нееквіпотенціальності катода.

Друга умова виконується для досліджуваного діода, якщо мінімальне значення анодної напруги становить 3-4 вольти.