Методика исследования и описание установки

Термоэлектронная эмиссия используется для получения потоков электронов в электронных лампах. Электроны, полученные в результате термоэлектронной эмиссии, являются носителями тока в вакууме. Интенсивность термоэлектронной эмиссии, то есть число электронов, вылетевших с поверхности нагретых металлов в единицу времени, зависит от температуры металла и работы выхода электронов из него.

Простейшая электронная лампа – диод представляет собой вакуумную лампу с двумя электродами: анодом А и катодом К. давление газов внутри такой лампы составляет порядка 10^-7 мм рт.ст. Между анодом и катодом создается электрическое поле, которое сообщает электронам скорость направленного движения.

Электрическая схема, с помощью которой можно изменять температуру катода, а также разность потенциалов между анодом и катодом, изображена на рисунке 5.

 

mA2

П1

K

A

Л

mA2

V

П2

Рис. 5

 

При нагревании нити накала лампы возникает термоэлектронная эмиссия с катода. Если поддерживать температуру катода постоянной, то с увеличением разности потенциалов между анодом и катодом увеличивается число электронов, достигающих анода, и при некотором напряжении , все электроны, покидающие катод, достигают анода.

При дальнейшем увеличении напряжения анодный ток будет оставаться постоянным. Наибольшее значение анодного тока, которое может быть получено при данной температуре катода, называется током насыщения. Для увеличения анодного тока в лампе необходимо увеличить температуру катода, что можно сделать, увеличив ток накала катода . На рисунке 6 показана зависимость анодного тока от анодного напряжения при двух температурах катода. Сплошной линией показана зависимость анодного тока от анодного напряжения при температуре , а пунктирной линией показана зависимость анодного тока от анодного напряжения при температуре , причем .

 

Iнас1

U1

U2

Iнас2

U

Ia

Ia0

Ua0

Рис. 6

 

При высоких температурах катода и близком расстоянии между катодом и анодом возможно наличие анодного тока при анодном напряжении равном нулю: . Это означает, что часть электронов имеют достаточную энергию теплового движения и может долететь до анода без внешнего электрического поля. Для того чтобы приостановить движение таких электронов, необходимо приложить к аноду отрицательный, а к катоду положительный потенциал .

При напряжениях, когда анодный ток далек от тока насыщения, зависимость силы анодного тока от анодного напряжения выражается формулой Богуславского – Лэнгмюра, который называется законом трех вторых:

(3)

Здесь - постоянная величина, зависящая от формы катода, его размеров, а также от относительного расположения катода и анода.

Ричардсон и Дэшман теоретически установили следующую зависимость тока насыщения от температуры катода:

(4)

Здесь - площадь поверхности катода; - постоянная величина, одинаковая для всех металлов; - работа выхода электронов из металла; - абсолютная температура катода; Дж/К – постоянная Больцмана; - основание натурального логарифма.

Работу выхода электрона из металла можно определить по формуле (4), используя два значения силы тока насыщения и , которые соответствуют температурам катода и :

(5)

(6)

Разделим формулу (5) на формулу (6) и получим:

(7)

Это выражение удобно использовать в виде:

(8)

Прологарифмируем формулу (8) и получаем:

(9)

Из формулы (9) можно определить работу выхода электронов из металла катода:

(10)

Таким образом, для определения работы выхода электронов из металла по формулу (10), необходимо знать два значения тока насыщения и соответствующие им температуры катода. Следовательно, для экспериментального определения работы выхода электронов из металла необходимо получить данные для построения нескольких (не менее трех) графиков зависимости анодного тока от анодного напряжения .

Величина силы тока насыщения определяется по вольт-амперным характеристикам, аналогичным представленным на рисунке 6. Температура катода определяется по графику зависимости температуры катода от тока накала для данной электронной лампы. Такой график прилагается к лабораторной работе. Образец такого графика представлен на рисунке 7.

Электрическая схема установки для получения вольт-амперных характеристик электронных ламп при различных температурах катода приведена на рисунке 5. Установка состоит из электронной лампы (Л), миллиамперметра на 1, 5 мА для измерения анодного тока , миллиамперметра на 60 мА для измерения тока накала , вольтметра на 25 В для измерения анодного напряжения , источников постоянного тока П₁ (источник накала) и П₂ (источник анодного напряжения).

Рис.7

 

Порядок выполнения работы

1. Собрать электрическую цепь по схеме, представленной на рисунке 5.

2. Включить выпрямитель П₁ и с помощью потенциометра установить ток накала мА.

3. Подождав 2 – 3 минуты до установления стационарного режима в цепи, включить источник тока анодной цепи П₂.

4. В анодной цепи с помощью потенциометра источника анодного тока П₂ увеличивать анодное напряжение от 0 до 24 В, через каждые 2 В, записывая значения анодного тока.

5. Снять еще не менее трех вольт-амперных характеристик при заданных значениях токов накала: . При снятии каждой вольт-амперной характеристики силу тока накала поддерживать постоянной.

6. Данные результатов измерений записать в таблицу 1.

 

 

Таблица 1

 

 

7. По графику зависимости температуры нити катода от тока накала определить температуру катода при различных значениях тока накала.

8. Построить вольт-амперные характеристики и по их виду определить значения токов насыщения при различных температурах катода.

9. Вычислить работу выхода электронов из металла по формуле (10).

10. Данные измерений и вычислений занести в таблицу 2.

 

Таблица 2

 

№ п/п	Температура катода, Т(К)	Ток насыщения, (мА)	Работа выхода, А(эВ)

 

Техника безопасности

1. Включение установки производится только после проверки схемы преподавателем или лаборантом.

2. Во время работы запрещается касаться токоведущих частей установки.

3. По окончании работы уменьшить вводное напряжение и напряжение накала до нуля и отключить установку от электрической сети.

 

5. Контрольные вопросы

 

1. Объясните, какие силы действуют на свободный электрон внутри металла, на электрон вблизи поверхности металла и на электрон, который вылетел из металла.

2. Что представляет собой электронное облако у поверхности металла?

3. Объясните зависимость напряженности электрического поля в электронном облаке от расстояния от поверхности металла.

4. Объясните зависимость потенциальной энергии электрона на границе металл – окружающая среда.

5. Что называется уровнем Ферми?

6. Что называется потенциальной ямой и потенциальным барьером?

7. Что называется работой выхода электрона из металла?

8. В каких единицах измеряется работа выхода электронов из металла и как она связана с единицами системы СИ?

9. Что называется эмиссией электронов из металла, и какими способами ее можно осуществить?

10. Объясните устройство и принцип работы двухэлектродной электронной лампы.

11. Объясните зависимость силы анодного тока от анодного напряжения для двухэлектродной электронной лампы.

12. Что называется током насыщения, и от чего он зависит?

13. Объясните сущность закона Богуславского – Лэнгмюра (закон трех вторых).

14. Объясните зависимость силы тока насыщения от температуры катода.

15. Объясните, как по вольт-амперным характеристикам определить работу выхода электронов из металла.

16. Выведите рабочую формулу для расчета работы выхода электронов из металла

17. Объясните схему для получения вольт-амперных характеристик двухэлектродной электронной лампы.

18. Как по току накала можно определить температуру катода?

 

 

Лабораторная работа №13

⇐ Предыдущая13141516171819202122Следующая ⇒

Поделиться: