12359

Исследование распределения термоэлектронов по скоростям

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа № 18 Исследование распределения термоэлектронов по скоростям 1. Цель работы: экспериментальное исследование распределения Максвелла. 2. Обоснование метода исследования. В замкнутом сосуде наполненном газом при температуре Т устанавливается...

Русский

2013-04-26

146 KB

27 чел.

Лабораторная работа № 18

«Исследование распределения термоэлектронов по скоростям»

1. Цель работы: экспериментальное исследование распределения Максвелла.

2. Обоснование метода исследования.

В замкнутом сосуде, наполненном газом при температуре Т, устанавливается термодинамическое равновесие, которое характеризуется определенным распределением молекул по скоростям. Максвеллом показано, что вероятность того, что молекула имеет скорость в интервале от v до v+dv, определяется выражением:

 (18.1)

где =m/(2kT), m – масса молекулы, k – коэффициент Больцмана, T – температура. Эта и есть распределение Максвелла. Качественно график функции изображен на рис.18.1.

Рис.18.1. Распределение Максвелла.

Экспериментальная проверка распределения молекул по скоростям является одной из важнейших задач молекулярной физики. Существует несколько методов, прямых и косвенных, доказывающих справедливость этого закона. В работе для исследования вида функции распределения по скоростям используются измерения закономерностей термоэлектронной эмиссии.

Целый ряд фактов и косвенных данных привел физиков к выводу о наличии в металлах свободных электронов еще к началу ХХ века, задолго до того, как это было доказано прямыми опытами Стюарта и Толмэна. Вследствие хаотичности теплового движения отдельные электроны металла приобретают избыток кинетической энергии, превышающий работу их выхода, и вылетают из металла. Происходит своеобразное «испарение» электронов из металла в окружающую среду, тем более интенсивное, чем выше температура металла.

Когда некоторая часть электронов выходит из металла, он заряжается положительно и притягивает вылетевшие электроны. В результате этих двух противоположных процессов устанавливается определенная концентрация электронного пара над металлом. Испускание электронов нагретыми металлами носит название термоэлектронной эмиссии.

Суть используемого в работе метода состоит в следующем. Известно, что электронный газ, который образуется в пространстве между катодом и анодом электронной лампы вследствие термоэлектронной эмиссии, подчиняется статистике Максвелла. Электронный газ имеет температуру катода. В некоторых электронных лампах система электродов осесимметрична. Катод выполнен в виде нити, расположенной на оси лампы, а анод – в виде коаксиального цилиндра.

Методами статистической физики можно показать, что в цилиндрической системе координат:

 (18.2)

где dp(vz, vr, ) вероятность того, что радиальная составляющая скорости электрона vr находится в интервале от vr до vr+dvr , составляющая скорости vz вдоль оси z в интервале от vz до vz+dvz , а азимутальный угол в интервале от до +d.

Если электроны, вылетающие из облака, заставить двигаться в тормозящем радиальном электрическом поле, то при некотором задерживающем напряжении преодолеть влияние поля могут только те электроны, у которых радиальная составляющая скорости удовлетворяет условию:

 (18.3)

где e – заряд электрона. Определим число электронов, пролетающих через тормозящее поле, т.е. возникающий анодный ток. Сначала определим число электронов, имеющих значение радиальной составляющей скорости в интервале от vr до vr+d vr:

 (18.4)

Число электронов n, проходящих через поверхность цилиндрического электрода в единицу времени, равно vrdn, т. е.

 (18.5)

Наконец, число электронов n, пролетающих в единицу времени через пространство с запирающим потенциалом Uз, определяется общим числом электронов, скорости которых превышают :

 (18.6)

Видно, что общее число электронов, пролетающих в единицу времени через тормозящее поле, равно интегралу с переменным нижним пределом от выражения, совпадающего с точностью до постоянного множителя с распределением Максвелла. Меняя значение задерживающей разности потенциалов, можно получить функцию  – анодный ток, производная которой по  пропорциональна распределению электронов по скоростям (распределению Максвелла).

3. Описание экспериментальной установки.

Лабораторная работа выполняется на комплексе ЛКЭ-4. Основной модуль 1 смонтирован на панели (рис.18.2), на которой изображены схемы соединений. Изучаемый объект – диод прямого накала 1Ц11П виден в окне в верхней части панели. Вольтамперная анодная характеристика диода сопоставляется с температурой катода, определяемой по сопротивлению нити накала.

Тумблер "100В/ -2В" – переключатель диапазонов анодного напряжения, приложенного между контактами "Ua" и "ОБЩ". При верхнем положении рукоятки тумблера это напряжение является ускоряющим и регулируется в пределах от 0 до 100В. При нижнем положении рукоятки это напряжение является задерживающим и регулируется в пределах от 0 до –2В. Регулятор анодного напряжения – резистор R1.

Тумблер «ИМП / ПОСТ» на три положения – переключатель режимов питания нити накала. При верхнем положении рукоятки тумблера напряжение накала импульсное, с частотой 1 кГц, при нижнем – постоянное, +12В, при среднем – питание накала отключено. Полярность относительно контакта «ОБЩ» положительная. Регулятор тока накала – резистор R2, включенный последовательно в цепь катода. Среднее значение тока накала измеряется стрелочным прибором с пределом шкалы 200мА. Более точно ток накала определяется по падению напряжения на эталонном резисторе R0=20,31,0 Ом, включенном последовательно в цепь катода.

Гнезда «ОБЩ» и «+12В» предназначены для подключения к внешнему источнику постоянного напряжения.

На рис.18.2 показано подключение источника питания накала ИПН и источника анодного напряжения. Расположение контактов 0,…,7 примерно соответствует их расположению на панели прибора.

Рис.18.2. Схема работы МРТ-2.

4. Порядок выполнения работы.

4.1.Измерить сопротивление катода при комнатной температуре. Это сопротивление измеряют при токе накала 5-10 мкА. Такой ток может создать источник анодного напряжения. Для этих измерений ИПН отключают (тумблер ИМП/ПОСТ в среднем положении), подключают катод к ИПА (соединяют контакты 3 и 5), устанавливают анодное напряжение в пределах 50-100 В и сравнивают напряжение на резисторе R0U0 и на катоде Rк:

 Rк0=R0Uк/U0,         Rк=20,31,0  Ом. (18.7)

4.2. Отключить катод от ИПА.

4.3. Установить ток накала в пределах 20-100 мА (тумблер ИМП/ПОСТ в положении ПОСТ).

4.4. Измерить сопротивление катода. Для его определения измеряют напряжение U0 на резисторе R0 (контакты 0-1) и напряжение Uк на катоде (контакты 2-3):

4.5. Вычислить температуру катода. В диапазоне температур 300-2500 К сопротивление катода линейно зависит от температуры:

 Rк=(T), (18.8)

где и – константы (для вольфрама =50К). Тогда:

 T=50+Rк(T0–50)/Rк0. (18.9)

4.6. Снять зависимость анодного тока от величины задерживающей разности потенциалов между катодом и анодом (тумблер Ua в положении –2В).

4.6.1. Измерить анодный ток. Измерение анодного тока производится мультиметром М830В в режиме вольтметра (чувствительность от 0,1 мВ и входное сопротивление 1 МОм). Подключив мультиметр параллельно цепи RA1+RA2=1105 кОм, получаем амперметр с разрешением от 1 нА.

4.6.2. Измерить задерживающее напряжение (контакты 3-6).

4.6.3. Пункты 4.6.1. и 4.6.2. повторить 10-12 раз для различных значений задерживающего напряжения.

4.7. Построить график зависимости

4.8. Методом графического дифференцирования (используя геометрический смысл производной) получить зависимость  и построить ее график.

5. Контрольные вопросы.

5.1. Распределение молекул идеального газа по скоростям (распределение Максвелла).

5.2. Метод экспериментальной проверки справедливости распределения Максвелла, используемый в работе.

5.3. Явление термоэлектронной эмиссии.

5.4. Изменение чувствительности электроизмерительных приборов.

Рекомендуемая литература.

  1.  Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: Учеб. пособие для втузов.– 2-е изд., испр. и доп.– М.: Высш. шк., 1999.– 718 с.: ил.
  2.  Савельев И.В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 3-х т. Т.2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. – 3-е изд., испр. –М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. 496 с., ил.
  3.  Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов.– 5-е изд., стер.– М.: Высш. шк., 1998.– 542 с.: ил.

4


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

10967. Интервалное оценивание 150.45 KB
  Интервалное оценивание Ранее мы обсудили использование выборочных значений в качестве оценок параметров случайных величин. Однако такие процедуры дают только точечные оценки интересующих нас параметров и не позволяют судить о степени близости выборочных значений к о...
10968. Интервальная оценка выборочной дисперсии 71.39 KB
  Интервальная оценка выборочной дисперсии Доверительный интервал для оценки дисперсии по выборочной дисперсии для СВ строится аналогичным образом. Естественно что в качестве математического ожидания и дисперсии гауссовой СВ мы возьмем их несмещённые и эффективные о
10969. Статистические критерии Что такое критерий значимости? 236.79 KB
  Статистические критерии Что такое критерий значимости Прежде чем перейти к рассмотрению понятия статистической гипотезы сформулируем так называемый принцип практической уверенности лежащий в основе применения выводов и рекомендаций полученных с помощью теории ...
10970. Различие между двумя выборочными средними 173.29 KB
  Различие между двумя выборочными средними Пусть дана выборка из значений нормально распределённой СВ и значений нормально распределенной СВ причем Необходимо проверить гипотезу против гипотезы . Заметим что дисперсии и нам известны. Кроме того предположени...
10971. Непараметрические гипотезы. Критерий согласия хи-квадрат 455.84 KB
  Непараметрические гипотезы Критерий согласия хиквадрат Одной из важнейших задач математической статистики является установление теоретического закона распределения случайной величины характеризующего изучаемый признак по опытному эмпирическому распределению...
10972. Критерий Колмогорова-Смирнова. Проверка гипотезы об однородности выборок 122.84 KB
  Критерий КолмогороваСмирнова. Проверка гипотезы об однородности выборок Гипотезы об однородности выборок это гипотезы о том что рассматриваемые выборки извлечены из одной и той же генеральной совокупности. Пусть имеются две независимые выборки произведенные из ...
10973. Линейный корреляционный анализ 175.39 KB
  Линейный корреляционный анализ Исключительный интерес для широкого класса задач представляет обнаружение взаимных связей между двумя и более случайными величинами. Например существует ли связь между курением и ожидаемой продолжительностью жизни между умственными
10974. Линейный корреляционный анализ. Коэффициент ранговой корреляции спирмена 79.27 KB
  Линейный корреляционный анализ ПРОДОЛЖЕНИЕ Пример 1.Коэффициент ранговой корреляции спирмена По двум дисциплинам А и В тестировались 10 студентов. На основе набранных баллов вычислены соответствующие ранги. Необходимо вычислить ранговый коэффициент Спирмена и пров...
10975. Анализ точности определения оценок коэффициентов регрессии 69.28 KB
  Анализ точности определения оценок коэффициентов регрессии В силу случайного отбора элементов данных в выборку случайными являются также оценки и коэффициентов и теоретического уравнения регрессии. Их математические ожидания при выполнении предпосылок об отклон