Дослідження термоелектронної емісії і визначення роботи виходу електрона з металу

 

Мета роботи  -  визначення  роботи  виходу  електрона з металу.

Метал, який є провідником електричного струму, має вільні електрони як основні носії струму.  Електрони провідності рухаються всередині металу хаотично, але не можуть мимовільно залишати метал у помітній кількості. Це пояснюється тим, що метал являє собою для електронів потенціальну яму. Залишити метал можуть лише ті електрони, енергія яких виявляється достатньою для подолання потенціального бар'єра, що знаходиться на поверхні металу.

Найменша енергія, яку необхідно надати електрону для того, щоб видалити його з твердого чи рідкого тіла у вакуум, називається роботою виходу А_вих = e , де  - потенціал виходу, e - заряд електрона.

Існують різні способи надання електронам додаткової енергії, завдяки чому відбувається явище термоелектронної емісії. Термоелектронною емісією називається випущення електронів нагрітими твердими чи рідкими тілами. Це явище пояснюється тим, що внаслідок розподілу по енергіях є деяка кількість електронів, енергія яких достатня для того, щоб перебороти потенціальний бар'єр, наявний на границі металу. При підвищенні температури  кількість  таких  електронів  різко  зростає  і  робиться помітною.

Робота електронних ламп заснована на явищі термоелектронної емісії. Розглянемо будову і роботу найпростішої електронної лампи - діода. Діод складається зі скляного чи металевого балона, з якого  відкачане повітря, і двох електродів - анода і катода.

Катод нагрівається струмом, створюваним батареєю розжарювання. Tемпературу розжарювання можна змінювати, регулюючи силу струму розжарювання. Температурою катода визначається струм емісії, тобто число електронів, що виходять з катода в одиницю часу.

Якщо при постійному струмі розжарювання зняти залежність анодного струму від анодної напруги (вольт-амперну характеристику), то виявиться, що при визначеному значенні напруги на аноді струм перестає залежати від напруги, тобто досягається так називаний струм насичення, що в ідеальному випадку за величиною збігається зі струмом емісії. Таке обмеження анодного струму зв'язане з тим, що досягається така різниця потенціалів між анодом і катодом, при якій всі електрони, що вийшли з катода, попадають на анод. Величина струму емісії залежить від температури розжарювання катода, тому  струм насичення теж є функція від температури катода (рис. 9.I).

 

 

Рис. 9.1

 

 

Якщо в одиницю часу з одиниці поверхні катода вилітає N електронів, то густина струму насичення буде 

j_нас = Ne.

 

Таким чином, вимірюючи густину струму насичення при різній силі струму розжарення, можна знайти кількість електронів, що вилітають з одиниці поверхні при різних температурах. Залежність густини струму насичення від абсолютної температури Т описується формулою Ричардсона – Дешмена:

j_{нас = AT}² exp ( ^- ).                                               (1)

Як видно з цього співвідношення, для підвищення густини струму насичення є дві можливості: підвищення температури і зменшення роботи виходу е  . Для цієї мети при виготовленні електронних ламп застосовують спеціальні покриття і способи обробки катодів, що приводять до зниження роботи виходу.

Для обчислення роботи виходу необхідно зняти вольт-амперні характеристики діода для різних струмів розжарювання. Далі з формули (1) шляхом логарифмування одержуємо

ln j_нас =ln A + 2 ln T - .

Вважаючи, що залежність третього доданку від Т більш швидка ніж другого (2 ln T), одержимо

ln j_нас =const - .

Якщо побудувати графік залежності ln j_нас = f (T ^-1), можно знайти е /k   як тангенс кута нахилу прямої до осі абсцис, тобто

 

= .

Остання рівність стає очевидною, якщо врахувати, що сила струму I_нас так пов’язана з густиною струму j_нас  і площею поверхні катода S: I_нас = j_насS.

Температуру катода t визначають у такий спосіб. Опір нитки розжарювання є функція температури, тому беруть значення опору її R_k при кімнатній температурі t_k і опору R_t при температурах розжарювання t, для яких знімалися вольт-амперні характеристики, і з відомого співвідношення одержують:

t = ,                                       (2)

       де  - термічний коефіцієнт опору.

 

Рис.9.2

 

Прилади і приладдя

Вакуумний діод, міліамперметр, регульоване джерело живлення, джерело постійної напруги на I50 В, вольтметр, мультиметр ВР-11А, мікроамперметр, набір шунтів, дільник напруги, з’єднувальні провідники.

Порядок виконання роботи

 l. Ознайомитися зі схемою лабораторної установки.

2. Одержати завдання на виконання лабораторної роботи у викладача і ввімкнути установку.

3. Зняти вольт - амперні характеристики діода при різних напругах U_Н і струмах I_Н розжарювання (заданих викладачем) і дані занести в таблицю 9.1.

4. Побудувати сімейство кривих I_А = f (U_А ) і по них визначити    I_нас  для кожної кривої і результати занести в таблицю 9.2.

5. Провести розрахунок  R_t = U_H / I_H  і результати занести в таблиці 9.1 і 9.2.

6. За отриманими R_t і наявними на робочому місці t_k, R_к провести розрахунок температур розжарювання за формулою (2) і результати занести в таблицю 9.2.

7. Побудувати графік ln I_нас = f (T^-1).

8. Користуючись графіком, визначити роботу виходу:

;

                  

A_вих = e  = k  .

 

              t_k=                                    R_k=                           

 

Таблиця 9.1       

                                                                 

UA , B	IH=   UH=        Rt=		IH=   UH=    Rt=		IH=    UH=   Rt=
	IA		IA		IA
	под.	mA	под.	mA	под.	mA
……	……………	……………	…………….	……………	……………	………….

 

 

Таблиця 9.2

 

Інас , mA	ln Інас	Rt , кОм	t, oC	T, K	T-1, K-1

 

    A_вих=

 

 

Контрольні за питання

 

I. Що називається роботою виходу?

2. Що називається термоелектронною емісією?

3. Що таке струм насичення і від чого залежить його величина?

4. Що називається вольт - амперною характеристикою електронної лампи?

5. Чому електрони не можуть мимовільно залишити метал, якщо їм не подавати додаткову енергію?

6. Чим визначається величина роботи виходу для кожного металлу?

7. Вивести робочу формулу для визначення роботи виходу.

 

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 10

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться: