Измерение и обработка результатов измерений

Собирают цепь по схеме, изображенной на рис. 5.

На схеме источник напряжения ε _н, реостат R_н и нить накала составляют цепь накала. Напряжение на нити накала измеряется вольтметром V_н. Питание анодной цепи производится через выпрямитель от источника напряжения Е_A. Для того, чтобы можно было регулировать анодное напряжение, оно подается через потенциометр R_А.

Напряжение между катодом и анодом лампы измеряется вольтметром V_A, а сила тока в анодной цепи - микроамперметром mА.

Снятие анодной характеристики

Поддерживая постоянным напряжение U_H (5 6, 5 В), постепенно увеличивают анодное напряжение U_A и через определенные интервалы (10 15 В) измеряют величину анодного тока I_A. Результаты измерений заносят в табл. 1 и строят график зависимости I_А=¦(U_А).

Снятие температурной характеристики

1. Поддерживая постоянное анодное напряжение (180 В), постепенно увеличивают напряжение в цепи катода с интервалом (0, 1 0, 2 В), и измеряют величину тока насыщения. Результаты измерений заносят в табл.2 и строят график зависимости I_нас= ¦(U_н).

Таблица 1

№№	Uн=const=
U_A, B	I_A, А
. . . n

Таблица 2

№№	U_А=const=
U_Н, B	I_нас, А
. . . n

Определение работы выхода

Работу выхода материала катода (вольфрама) определяют по формуле (5). Для этого необходимо найти ток насыщения и температуру катода для двух различных значений U_Н. Ток накала можно взять из построенного ранее графика I_нас= ¦(U_н). Температуру определяют по предлагаемому в работе графику зависимости температуры катода от напряжения U_Н (рис. 6).

Полученные значения Т_К и I_нас подставляют в формулу (5) и определяют работу выхода. I_нас1 и Т₁ снимают в интервале (5÷ 5, 5 В), I_нас2 и Т₂ – в интервале (6, 2÷ 6, 4 В).

Задачи

1. Определить работу выхода электронов из металла, если известно, что соприкасаясь с другим металлом, работа выхода из которого составляет 7, 25·10^-19 Дж, данный металл дает контактную разность потенциалов 1, 77 В.

2. Какой наименьшей скоростью должен обладать свободный электрон алюминия, который, двигаясь перпендикулярно его поверхности, вылетел бы из него, если работа выхода у алюминия 3, 74 эВ? (е = 1, 6·10^-19Кл)

3. Почему при повышении температуры происходит увеличение эмиттирующих электронов из металла?

4. Может ли эмиттировать из урана электрон, летящий перпендикулярно его поверхности со скоростью 2·10³ м/с, если работа выхода электронов из урана равна 3, 74 эВ? (е = 1, 6·10^-19Кл)

5. На рис. даны графики зависимости величины анодного тока от анодного напряжения при различных температурах нити накала двухэлектродной лампы.

а) Чем объяснить наличие горизонтальных участков у кривых I и II?

б) Почему кривая III не имеет горизонтального участка?

в) При каких условиях кривая III будет иметь горизонтальный участок?

Контрольные вопросы

1. В чем состоит явление термоэлектронной эмиссии?

2. Устройство, принцип действия и работа диода.

3. Работа выхода электрона из металла: чем она обусловлена и от чего зависит?

4. Поясните ход вольтамперной характеристики диода.

5. Каким законом описывается участок 2-3 вольтамперной характеристики?

6. Как увеличить ток насыщения?

7. От чего и как зависит плотность тока насыщения?

8. Почему кривая I_A=f(U_A) не проходит через начало координат?

9. Как объяснить нелинейность зависимости I_A=f(U_A) на участке 2-3?

10. Что такое «ток насыщения»?

11. С какой целью подогревают катоды?

12. Каков механизм проводимости металлов?

13. Подчиняется ли проводимость электронных ламп закону Ома? Почему?

14. Рабочая схема, назначение всех ее элементов.

Литература

1. Савельев И. В. Курс общей физики. М.: Наука. Т.3, 1987. § 61.

2. Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высшая школа. 2002, § 105.

Лабораторная работа № 2.7

Градуировка термопары

Цель работы: ознакомление с принципом действия термопары, ее

градуировка, определение постоянной термопары.

Приборы и принадлежности: термопара, милливольтметр,

нагревательный прибор, термометр, сосуд с водой.

Краткая теория

Свободные электроны находятся в беспорядочном движении и не могут покинуть металл, так как на них действует электрическая сила. Возникает эта сила в результате двух причин:

1. Между свободными электронами и положительно заряженной ионной решеткой существуют силы взаимодействия.

2. В результате теплового движения некоторые из свободных электронов, находящихся вблизи поверхности металла, могут перейти эту поверхность и несколько удалиться от нее. Поэтому поверхность металла окутана электронной оболочкой толщиной порядка нескольких межатомных расстояний в металле. Эта электронная оболочка заряжена отрицательно, а поверхность металла, вследствие обеднения электронами, заряжена положительно. Следовательно, возникает сила, притягивающая электрон и мешающая ему выйти.

Эти причины приводят к возникновению в поверхностном слое металла потенциального барьера. Образуется как бы конденсатор; разность потенциалов между его пластинами -Dj. Для того, чтобы электрон мог пройти этот барьер и удалиться из металла, необходимо совершить работу. Работа, которую надо совершить на освобождение электрона из металла, называется работой выхода А:

(1)

где e - заряд электрона, Dj - поверхностный скачек потенциалов между металлом и окружающей средой.

Таким образом, электроны в металле находятся на дне потенциальной ямы высотой А.

Контактные явления. Приведем в контакт два разнородных металла. Пусть первый металл имеет большую работу выхода, чем второй. Тогда электроны беспрепятственно будут переходить из второго металла в первый. Следовательно, электроны переходят из металла с меньшей работой выхода в металл с большей работой выхода, при этом второй металл заряжается положительно, а первый - отрицательно. Контактная разность потенциалов определится:

Однако существует еще одна причина возникновения контактной разности потенциалов – разная концентрация электронов в металлах. Электроны из металла, где их много, будут переходить в металл, где их мало, благодаря явлению диффузии. В результате возникшего диффузионного потока, между металлами образуется контактная разность потенциалов, определяемая выражением:

где k- постоянная Больцмана, T - температура в месте контакта, n₀₁ и n₀₂ – концентрации электронов соответственно в первом и втором металлах.

Общая контактная разность потенциалов равна

(1)

Процесс перехода электронов от одного металла к другому происходит до тех пор, пока разность работ выхода А₁ , А₂ и различия количества свободных электронов n₀₁, n₀₂ в единице объема не уравновесятся противодействием возникшей контактной разности потенциалов. Контактная разность потенциалов зависит не только от свойств металлов, но и от температуры.

Законы Вольта

Вольта экспериментально установил два закона:

1. При соединении двух проводников, изготовленных из различных металлов между ними возникает контактная разность потенциалов, которая зависит только от их химического состава и температуры.

2. Контактная разность потенциалов на концах цепи, состоящей из последовательно соединенных различных проводников, находящихся при одинаковой температуре, не зависит от химического состава промежуточных проводников и равна контактной разности потенциалов, возникающей при непосредственном соединении крайних проводников.

Математическим выражением первого закона Вольта является формула (1). Она показывает, что Dj зависит только от температуры и химического состава соприкасающихся проводников (Т, A₁, A₂, n₀₁, n₀₂).

Для доказательства второго закона Вольта приведем в соприкосновение три разнородных металла, находящихся при одной температуре. Результирующая разность потенциалов окажется равной:

Dj = (j₁-j₂) + (j₂-j₃) = j₁-j₃

Т.е. j₁-j₃действительно не зависит от природы промежуточных металлов.

ТермоЭДС (явление Зеебека)

Немецкий физик Т. Зеебек (1770-1831) обнаружил, что в замкнутой цепи состоящей из разнородных проводников, контакты между которыми имеют различную температуру, возникает электрический ток. Рассмотрим замкнутую цепь, состоящую из последовательно соединенных разнородных проводников 1 и 2 с температурой спаев Т₁ (контакт А) и Т₂(контакт В), причем T₁> T₂ (рис 4).

Электродвижущая сила, возникающая в цепи, равна сумме скачков потенциалов в обоих контактах:

(2)

Таким образом, в замкнутой цепи появляется ЭДС, прямо пропорциональная разности температур в контактах. Эта ЭДС называется термоэлектродвижущей силой.

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 789 10 11 12 Следующая ⇒