- •Лабораторные работы по курсу общей физики
- •Предисловие
- •Лабораторная работа № 1 Тепловое излучение
- •Теоретическая часть
- •Экспериментальная часть
- •Выполнение работы
- •Литература
- •Лабораторная работа № 2 Определение теплоемкости металлов
- •Теоретическая часть
- •Экспериментальная часть
- •Выполнение работы
- •Экспериментальная часть
- •Выполнение работы
- •Литература
- •Лабораторная работа № 4 Эффект Холла в полупроводниках
- •Теоретическая часть
- •Экспериментальная часть
- •Выполнение работы
- •Литература
- •Лабораторная работа № 5 Термоэлектрические явления
- •Теоретическая часть
- •Экспериментальная часть
- •Выполнение работы
- •Литература
- •Лабораторная работа №6 Изучение температурной зависимости сопротивления металлов и полупроводников
- •Теоретическая часть
- •Экспериментальная часть
- •Выполнение работы
- •Литература
- •Лабораторная работа №7 Опыт Франка - Герца
- •Теоретическая часть
- •Экспериментальная часть
- •Выполнение работы
- •Литература
- •Содержание
- •Лабораторная работа № 7. Опыт Франка – Герца…………………………………………44
Экспериментальная часть
Исследование термоэлектронной эмиссии осуществляется с помощью вакуумного диода, схематическое устройство которого показано на рис.3. Проволока К из вольфрама с покрытием (катод) окружена цилиндрическим анодом А и помещена в вакуумный баллон Б.
Рис. 3. Схематическое устройство вакуумного диода. К - катод, А - анод, Б - вакуумный баллон
Катод нагревается до требуемой температуры током накала. Если, поддерживая температуру накаленного катода постоянной, менять напряжение Ua между анодом и катодом, то термоэлектронный ток Ia сначала будет возрастать. Однако это возрастание идет не пропорционально Ua, т.е. для вакуумного диода закон Ома не выполняется. При достижении определенного напряжения дальнейшее нарастание термоэлектронного тока практически прекращается и ток достигает предельного значения Iнас, называемого током насыщения. Зависимость анодного тока от анодного напряжения Ua для ряда температур (вольт-амперная характеристика) показана на рис.4.
Наличие тока насыщения имеет следующее объяснение. Его величина определяется количеством электронов, которое покидает поверхность катода в единицу времени (т.е. температурой катода). Если электрическое поле между анодом и катодом способно отвести все электроны, испускаемые катодом, то дальнейшее увеличение анодного напряжения Ua уже не может привести к увеличению термоэлектронного тока.
Рис. 4. Вольт-амперные характеристики вакуумного диода. Температуры катода
При малых напряжениях между катодом и анодом ток практически не зависит от температуры катода и подчиняется так называемому закону трёх вторых, т. е. в этом случае (криволинейный пунктир на рис.4). При дальнейшем увеличении напряжения ток насыщения растет очень незначительно. Зависимость тока насыщения от температуры и работы выхода определяется формулой Ричардсона-Дэшмана :
, где = 1,381023 Дж/К постоянная Больцмана, а некоторая константа, зависящая от свойств конкретного металла.
Прологарифмировав последнее равенство, получим
.
Таким образом, зависимость от линейная. Угловой коэффициент прямой позволяет определить работу выхода А = е из экспериментальных вольт-амперных характеристик вакуумного диода, что является целью данной работы.
Температуру катода можно определить, воспользовавшись зависимостью сопротивления катода от температуры. В исследуемом диапазоне температур эту зависимость с достаточной точностью можно считать линейной:
. (1)
Здесь t температура в С, сопротивление катода при t = 0 С, температурный коэффициент сопротивления материала катода. По закону Ома сопротивление катода
, (2)
где ток накала, напряжение накала. Из (1) и (2) легко определить абсолютную температуру катода:
(3)