Определение работы выхода электрона из металла методом компенсации охлаждения нити

Цель работы:

1. Изучить сущность определения работы выхода методом компенсации охлаждения нити.

2. Изучить устройство измерительной схемы, назначение и принцип действия ее элементов

3. Провести измерения и вычисление работы выхода электронов методом компенсации охлаждения нити

 

Основные понятия и закономерности

Одной из характеристик вещества является работа выхода электронов. Работа выхода электронов численно равна энергии, которую надо сообщить электрону, чтобы электрон вышел из вещества и стал свободной частицей. Работа выхода электронов зависит от рода вещества и от состояния поверхности, с которой электрон покидает вещество.

Существуют различные способы измерения работы выхода электронов. Одним из способов является определение работы выхода электронов методом компенсации охлаждения нити катода электронной лампы, который используется в данной лабораторной работе. Этот метод является методом непосредственного определения работы выхода электрона. Он основан на том. Что при эмиссии каждый электрон, покидающий катод, уносит из катода энергию , которая равна:

(1)

Здесь - работа выхода электрона; - кинетическая энергия хаотического движения электронов в веществе.

При нагревании катода электронной лампы до температуры, достаточной для термоэлектронной эмиссии, при разомкнутой анодной цепи число электронов, покидающих катод за единицу времени, оказывается равным числу электронов, возвращающихся на катод из области пространственного заряда, то есть устанавливается термодинамическое равновесие, соответствующее температуре катода. Разомкнутая цепь, в которой наблюдается термоэлектронная эмиссия и устанавливается термодинамическое равновесие в поверхностном слое, в который вылетели электроны, изображена на рисунке 1.

Если анодную цепь замкнуть, то часть электронов достигает анода, вследствие чего температура катода понижается. При определении энергии, унесенной электронами, покинувшими катод, необходимо учесть, что электроны покидают катод при температуре , а возвращаются к катоду по проводнику с температурой . Расчет показывает, что эта энергия равна:

(2)

Здесь Дж/К – постоянная Больцмана. Таким образом, каждый электрон, покинувший катод и участвующий в создании анодного тока, уносит от него в среднем энергию, равную:

(3)

 

A

K

V

A

K

П

Рис. 1

При установлении в лампе анодного тока за одну секунду, вследствие переноса энергии электронами, катод теряет энергию, равную:

(4)

Здесь - модуль заряда электрона; - число электронов, покидающих катод за одну секунду.

Потери энергии катода и, как следствие, понижение температуры, можно скомпенсировать увеличением тока накала. Для лампы с прямым накалом, имеющей сопротивление , увеличение тока накала на величину приводит к увеличению мощности на величину , которая определяется формулой:

(5)

Если подобрать приращение тока накала нити так, чтобы температура катода при замкнутой анодной цепи оставалась такой же, как и при разомкнутой цепи, то в этом случае энергия, унесенная электронами из катода за одну секунду (4), компенсируется дополнительной энергией, сообщаемой нити накала за это время, которая определяется формулой (5). При этом будет выполняться соотношением:

(6)

Потери энергии катода за счет анодного тока значительно меньше потерь на излучение и теплопроводность держателей катода, но они остаются постоянными, так как температура катода поддерживается постоянной.

В правой части формулы (6) второе слагаемое, содержащее , можно отбросить, так как в данном случае оно значительно меньше первого слагаемого. В результате из формулы (6) можно получить следующее выражение для работы выхода электронов:

(7)

Таким образом, для определения работы выхода электрона данным методом нужно измерить ток накала нити , анодный ток , сопротивление нити накала и приращение тока накала , необходимое для компенсации охлаждения нити при установлении в лампе анодного тока .

Измерение анодного тока , тока накала и сопротивления не вызывает затруднений. Токи измеряются амперметрами с соответствующими пределами измерений, а сопротивление измеряется мостиком Уитстона. Температуру накала нити знать точно нет необходимости, нужно знать разность температур, которая в данной работе равна 600К, но фиксировать восстановление первоначальной температуры нити следует достаточно точно. Это можно осуществить по измерению электрического сопротивления нити, которое зависит от температуры. Для измерения приращения тока накала в работе используется специальная методика, описанная в разделе 2.

 

⇐ Предыдущая13141516171819202122Следующая ⇒

Поделиться: