Описание установки и методика измерений

Электрическая схема установки для определения работы выхода электронов методом компенсации охлаждения нити приведена на рисунке 2. Она состоит из двух частей: анодной цепи и цепи накала нити катода. В цепь накала включен мост Уитстона, одним из плеч которого является нить накала лампы, сопротивлением . Мост Уитстона используется для измерения электрического сопротивления нити накала и фиксации ее первоначальной температуры. Чтобы на уравновешивании моста не сказывалось дополнительное падение напряжения на нити накала, связанное с протеканием по ней анодного тока, в работе используется лампа Л с прямым накалом, имеющая отвод от середины нити. К этому отводу присоединяется анодная цепь.

Сопротивления плеч и в 100 раз больше сопротивлений и . Мост питается от стабилизированного выпрямителя П₁ через большое сопротивление .

Для точного измерения малых приращений тока накала используется цепь с переменным сопротивлением , ключом и миллиамперметром , которая может включаться параллельно мосту.

Сопротивления и , поэтому при замыкании ключа в цепи сопротивления полное сопротивление нагрузки выпрямителя П₁ и ток, протекающий по ней практически не изменяется. Происходит перераспределение тока между мостом и цепью сопротивления . Но так как , то в плечах моста и протекает лишь 1% полного тока, поэтому можно считать, что изменение тока накала нити равно току в цепи сопротивления .

 

A

K

R2

Л

A3

V

R7

K2

R1

R4

K3

Г

R3

K1

K4

A1

R5

A2

R6

П1

П2

 

Рис. 2

 

Источником анодного напряжения П₂ является универсальный источник питания УИП, который также используется и для питания цепи накала. Величина анодного напряжения изменяется потенциометром установки и потенциометром источника питания УИП и измеряется вольтметром V. Для измерения анодного тока используется миллиамперметр А₃.

Отвод от нити накала, к которому подсоединяется анодная цепь, делит ее, как правило, не на симметричные части, вследствие чего при прохождении через лампу анодного тока на нити появляется дополнительное падение напряжения, несвязанное с изменением ее электрического сопротивления, что приводит к ошибке в установлении равновесия моста. При изменении направления тока накала знак этой ошибки изменяется на противоположный. Поэтому работу выхода электронов следует вычислять, как среднее значение результатов, полученных при разных направлениях тока накала. Изменение направления тока накала осуществляется с помощью переключателя К₄, включенного в цепь накала.

В лабораториях используются два типа установок для определения работы выхода электронов данным методом. На одной из них на общем плато смонтированы лампа Л, сопротивления R₁, R₄, R₅, R₆, R₇, ключи K₁, K₂, K₃, K₄ и соединены в соответствии со схемой, представленной на рисунке 2. Для миллиамперметров A₁, A₂, A₃, вольтметра V, нуль – гальванометра Г, сопротивления R₃ и источников питания выведены клеммы. В качестве сопротивления R₃ используется магазин сопротивлений на 10000 Ом.

На второй установке на общем плато смонтированы все элементы цепи и источники питания, кроме магазина сопротивлений R₃ и нуль – гальванометра Г. для их подключения выведены клеммы. Установка включается в электрическую сеть.

Сопротивления R₁ и R₄ на обеих установках подобраны так, что отношение их равно .

Работа на установке осуществляется следующим образом. Устанавливается максимальное значение сопротивления R₆, включаются источник цепи накала П₁ и источник анодной цепи П₂. Затем с помощью потенциометра источника цепи накала П₁ и сопротивления R₆ подбирается такой ток накала, чтобы при анодном напряжении 10 В анодный ток был равен 1 мА. После установления анодного тока производится уравновешивание моста Уитстона, подбирается такое сопротивление R₂, чтобы стрелка нуль – гальванометра была на нуле. При размыкании анодной цепи температура нити и ее электрическое сопротивление увеличивается, что приводит к разбалансировке моста Уитстона – стрелка нуль – гальванометра отклонится от нулевого значения. Чтобы уравновесить мост, и следовательно, установить первоначальную температуру катода, необходимо уменьшить ток накала, для чего включается цепь сопротивления R₅. Изменяя сопротивление R₅, подбирают такой ток через него , чтобы стрелка нуль – гальванометра была на нуле, то есть, чтобы мост Уитстона был уравновешен.

Таким образом, в данной лабораторной работе осуществляется не компенсация охлаждения нити при установлении анодного тока, а компенсация ее нагрева при прекращении анодного тока. При этом расчет потерь энергии катода не изменяется.

 

Порядок выполнения работы

 

1. Собрать электрическую схему, согласно рисунку 2. Ключи K₁, K₂, K₃, и K₄ должны быть разомкнуты.

2. Установить максимальное значение сопротивления R₆ в цепи нити накала и замкнуть ключ K₄ в одно из положений.

3. Включить источник питания цепи накала П₁ и источник питания анодной цепи П₂.

4. Установить в анодной цепи напряжение 10 В с помощью потенциометра источника и потенциометра R₇.

5. Замкнуть ключ анодной цепи K₂ и с помощью потенциометра источника П₁ и сопротивления R₆ подобрать такой ток накала , чтобы анодный ток был равен 1 мА. Записать значение тока накала.

6. Замкнуть ключ K₃ моста Уитстона и сопротивлением R₃ уравновесить его. Определить сопротивление нити накала лампы R₂ по формуле:

(8)

7. Разомкнуть анодную цепь ключом K₂. Затем, замкнув ключ K₁, с помощью сопротивления R₅ уравновесить мост. Записать показания миллиамперметра A₁, которое соответствует изменению тока накала .

8. Разомкнуть ключи K₁, K₃ и изменить направление тока накала, переключив ключ K₄ во второе положение.

9. Повторить измерения в соответствии с пунктами 5, 6, 7 при том же анодном токе и напряжении.

10. Произвести такие же измерения при другом значении анодного тока, меньшем 1 мА.

11. По формуле (7) вычислить работы выхода электронов в джоулях (Дж) и электрон – вольтах (эВ).

12. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 1

Таблица 1

 

№ п/п

 

Техника безопасности

5. Включение установки производится только после проверки ее преподавателем или лаборантом.

6. Во время работы запрещается касаться токоведущих частей установки.

7. По окончании работы уменьшить анодное напряжение и напряжение накала до нуля и отключить источники питания от электрической сети.

 

5. Контрольные вопросы

1. Что называется работой выхода электронов?

2. От чего зависит работа выхода электронов?

3. Назовите и объясните виды эмиссии электронов.

4. Объясните устройство измерительной схемы для определения работы выхода.

5. Как работает мост Уитстона?

6. Как в данной работе измеряется изменение тока накала нити катода?

7. Выведите рабочую формулу для определения работы выхода электронов.

8. Выведите формулу для расчета абсолютной и относительной погрешности определения работы выхода электронов.

9. Как определяется погрешность измерения с помощью электроизмерительных приборов, которые использовались в данной работе?

10. В каких единицах измеряется работа выхода электронов? Каковы соотношения между этими единицами?

 

 

Литература

1. Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010 – 464с.

2. Калашников С.Г. Электричество. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003 – 634 с.

3. Тамм И.Е. Основы теории электричества. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. — 616 с.

4. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.3. Электричество.– М.: ФИЗМАТЛИТ; Изд-во МФТИ, 2004. - 656 с.

5. Парселл Э. Электричество и магнетизм. Издательство: ЛаньСПб, 2005. – 416 с

6. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2. – Издательство: ЛаньСПб, 2011 – 252 с.

7. Бондарев Б.В., Калашников Н.П., Спирин Г.Г. Курс общей физики. Книга 2.Электромагнетизм. Оптика. Квантовая физика – М.: Высшая школа, 2003 –438 с.

8. Детлаф А. А., Яворский Б.М. Курс физики. Учеб. пособие для студ. втузов – М.: Издательский центр «Академия», 2003. – 720 с.

9. Трофимова Т.И. Курс физики. Учебное пособие – М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 560 с.

12. С.Е. Мальханов. Общая физика - Конспект лекций. Издательство: Санкт-Петербург, 2001. – 438 с.

10. Д.А. Паршин, Г.Г. Зегря. Конспект лекций по общему курсу физики. Издательство: Санкт-Петербург, 2008. – 111 с.

11. Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин: учеб. пособие. Издательство: ЛаньСПб, 2005. – 112 с.

12. Первичные представления об измерениях, измерительных приборах и методах определения погрешностей измерений: Учебно-методическое пособие по физическому практикуму для студентов физико-математических и инженерных специальностей/ сост. Н.П.Самолюк, НовГУ им. Ярослава Мудрого. – Великий Новгород, 2008. - 80 с.

 

 

⇐ Предыдущая13141516171819202122

Поделиться: