37927

ИЗУЧЕНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ МЕТАЛЛОВ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНА

Лабораторная работа

Физика

Сила термоэлектронного тока в диоде зависит от величины напряжения U рис. Отклонение зависимости анодного тока IА от анодного напряжения U от прямолинейной связано: а с наличием в промежутке между катодом и анодом неоднородной области пространственного заряда; б с отсутствием центров рассеяния в упомянутом промежутке. Зависимость тока диода IА от анодного напряжения U имеет вид: I=C U3 2 2.3 Is величина тока насыщения три кривые относятся к трем разным...

Русский

2013-09-25

98 KB

75 чел.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Цель работы…………………………………………………………..4

2. Теоретическая часть………………………………………………….4

2.1. Термоэлектронная эмиссия………………………………………..6

2.2. Метод измерения……………………………………………………8

3. Описание установки………………………………………………….9

4. Требования по технике безопасности……………………………….9

5. Порядок выполнения работы……………………………………….10

6. Требования к отчету…………………………………………………11

7. Контрольные вопросы……………………………………………….11

Список литературы………………………………………………….11


Лабораторная работа № 36

ИЗУЧЕНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ МЕТАЛЛОВ.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНА

1. Цель работы

Изучение термоэлектронной эмиссии металлов, определение работы выхода электрона.

2. Теоретическая часть

Металлическая связь характеризуется обобществлением валентных электронов отдельных атомов по всему кристаллу. Эти обобществленные электроны называются электронами проводимости и могут свободно перемещаться внутри металла. Однако выйти из металла они не могут вследствие притяжения положительно заряженными ионами кристаллической решетки. Электроны, совершая тепловое движение, могут пересекать поверхность металла и удаляться от нее на небольшие расстояния (порядка атомных). При этом у поверхности металла возникает электронный слой, а в металле остается нескомпенсированный положительный заряд ионных остатков. Вблизи поверхности образуется двойной заряженный слой наподобие конденсатора. В результате в поверхностном слое металла появляется электрическое поле, а потенциал при переходе из внешнего пространства внутрь металла увеличивается на некоторую      величину φ. Соответственно потенциальная энергия электрона уменьшается на еφ. Распределение потенциальной энергии электрона у границы металл – вакуум имеет вид потенциального барьера       рис. 2.1.

Величина Aвых = eφ = W0 Wм называется работой выхода электрона. Такую работу должен совершить электрон, чтобы выйти из металла в вакуум. Если электрон внутри металла имеет полную энергию, например, W1 (рис. 2.1), он не сможет покинуть металл. Условие вылета электрона из металла: W ≥W0. При комнатной температуре и отсутствии внешних возбуждений практически для всех электронов это условие не выполняется и электроны остаются внутри проводника.

Явление испускания электронов металлами называют электронной эмиссией.

По способам возбуждения различают термо-, фото-, авто-, вторичную электронную эмиссию.

Термоэлектронная эмиссия имеет место при нагревании металлов; при возбуждении электронов светом говорят о фотоэлектронной эмиссии; при автоэлектронной эмиссии электроны вырываются из металла сильным электрическим полем; вторичной электронной эмиссией называют выбивание электронов бомбардировкой поверхности металла электронами или ионами.

2.1. Термоэлектронная эмиссия

Термоэлектронной эмиссией называют испускание электронов нагретыми телами. Для ее наблюдения можно использовать вакуумную лампу – диод.

На рисунке 2.2 представлена электрическая цепь для изучения термоэлектронной эмиссии.

Батарея Бн служит для нагрева катода К. Если раскалить катод К  до высокой температуры (при этом катод эмитирует в вакуум электроны) и приложить к аноду А положительное напряжение UA, то эмитированные электроны устремляются к аноду, и в цепи возникает электрический ток.

Сила термоэлектронного тока в диоде зависит от величины напряжения UA рис. 2.3.

Отклонение зависимости анодного тока IА от анодного напряжения UA от прямолинейной связано: а) с наличием в промежутке между катодом и анодом неоднородной области пространственного заряда; б) с отсутствием центров рассеяния в упомянутом промежутке. В результате классическая теория электропроводности неприменима и закон Ома не выполняется.

Зависимость тока диода IА от анодного напряжения UA имеет вид:

IA=C · UA3/2,                                         (2.1)

где С – зависит от формы и размеров электродов.

Соотношение (2.1) выражает уравнение кривой 0123 рис. 2.3 и носит название закона Богуславского – Ленгмюра.

Когда потенциал анода становится настолько большим, что все электроны, испускаемые катодом в единицу времени, попадают на анод, ток достигает своего максимального значения и перестает зависеть от анодного напряжения. Число электронов, эмитируемых с катода в единицу времени, зависит от его температуры. На      рисунке 2.3 Isвеличина тока насыщения, три кривые относятся к трем разным температурам катода, причем Т1<Т2<Т3.

Плотность тока насыщения js характеризует эмиссионную способность катода. Число электронов в металле, способных преодолеть потенциальный барьер  Aвых=eφ  (рис. 2.1) и выйти в вакуум, резко увеличивается при повышении температуры. Температурная зависимость тока насыщения выражается формулой Ричардсона – Дэшмана

js=B ·T 2 ·,                                     (2.2) 

где Bпостоянная для данного металла; k – постоянная Больцмана; Aвых – работа выхода электрона из металла; Т – абсолютная температура.

Экспоненциальная зависимость числа электронов, преодолевающих барьер Aвых, от величины работы выхода и обратной температуры вытекает из распределения Больцмана.

2.2. Метод измерения

Измеряя на опыте зависимость тока насыщения от температуры, можно определить работу выхода для данного металла.

В нашем случае для определения работы выхода используется метод прямых Ричардсона. Суть метода в следующем. Прологарифмируем уравнение (2.2).

.                                 (2.3)

Переходя к десятичным логарифмам, найдем

.                           (2.4)

Подставляя lg e = 0,43, получим

.                         (2.5)

Такой вид уравнения удобен для его экспериментальной проверки.

График зависимости lg(js Т 2) от 1/Т является прямой линией с угловым коэффициентом 0,43Авых k. Определив тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс 1/T, рассчитывают работу выхода

.                                                  (2.6)

Для построения графика необходимо знать плотность анодного тока насыщения и температуру катода.

Плотность тока насыщения определяют как отношение величины анодного тока к площади катода.

Температуру определяют по измеренному току накала катода при помощи графика зависимости температуры катода от тока накала (рис. 2.4).

3. Описание установки

Измерения проводятся по схеме, представленной на        рисунках 3.1 и 3.2.

ИП - источник питания,

ФПЭ - кассета ФПЭ-06.05,

РА - миллиамперметр

          Рис. 3.1                                                             Рис. 3.2

Амперметр на панели источника питания служит для контроля тока накала IН, максимальное значение которого не должно превышать 2.2 А. Плавная регулировка накала осуществляется ручкой, расположенной под амперметром.

Вольтметр на панели источника питания измеряет анодное напряжение UA, регулировка которого производится ручкой на панели источника питания, расположенной непосредственно под вольтметром.

Для измерения анодного тока IА используется миллиамперметр РА (рис. 3.1, 3.2), который подключается к кассете ФПЭ-06 (рис. 3.1)

4. Требования по технике безопасности

4.1. Перед началом работы тумблеры "сеть" на стенде и на приборах должны быть отключены.

4.2. Убедиться в исправности электрических шнуров, вилок, розеток.

4.3. Проверить правильность соединения приборов по рис. 3.1.

4.4. Вывести регулировки тока накала и анодного напряжения в крайние левые положения.

4.5. Установить на миллиамперметре РА предел измерения последовательным нажатием клавиш "I = " и "АВП".

5. Порядок выполнения работы

5.1. Подключить кассету ФПЗ-06 соединительным кабелем к источнику питания ИП (рис. 3.1).

5.2. Установить ток накала IA =1,3 А.

5.3. Увеличивая анодное напряжение UA от 10 до 100 В через каждые 10 В, записать соответствующие значения анодного тока в таблицу 5.1. Показания снимать, убедившись в правильном значении тока накала непосредственно в момент измерения анодного тока.

5.4. Установить последовательно ток накала IН =1,3; 1,5; 1,6;     1,7 А и для каждого значения IН провести измерения по п. 5.3.

5.5. Для каждого значения тока накала построить вольтамперную характеристику и точку перегиба на каждой кривой считать точкой насыщения (IS ).

5.6. По графику зависимости температуры катода Т от тока накала IH (рис. 2.4) определить температуру катода для каждого значения IH  .

5.7. Рассчитать плотность анодного тока насыщения по формуле jS=IS /S. Величина тока насыщения Is определяется из п. 5.5, площадь катода принять S =11.10 -6 м2 .

5.8. Все полученные данные занести в таблицу 5.2.

5.9. Построить график зависимости lg jS /T 2, откладывая по оси абсцисс 1/T, а по оси ординат  lg jS /T 2 .

5.10. Определить тангенс угла наклона полученной прямой к оси абсцисс и рассчитать работу выхода по формуле (2.6). Тангенс угла наклона определяется как отношение катетов Δ (lg jS /T 2) к Δ(1/T).

Т а б л и ц а 5.1

     UA

                                                  IA

IН =1,3 А

IН=1,4 А

IН=1,5 А

IН=1,6 А

IН=1,7 А

Т а б л и ц а 5.2

№ п/п

IH, A

IS , mA

T , K

1/T, K -1

jS , mA/м2

j/T 2

lg (j/2 )

1

2

3

4

6. Требования к отчету

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

а) номер и название лабораторной работы;

б) краткие основные теоретические положения;

в) результаты исследований и расчетов в виде таблиц и графиков;

г) окончательный результат (значение работы выхода) и выводы.

7. Контрольные вопросы

7.1. Подчиняется ли зависимость анодного тока от анодного напряжения для вакуумного диода закону Ома? Почему?

7.2. Какова причина насыщения тока в вакуумном диоде?

7.3. Что называют работой выхода электрона из металла?

7.4. В чем состоит явление электронной эмиссии?

7.5. Объясните качественно зависимость тока насыщения от температуры катода. Каким законом эта зависимость описывается?

7.6. Какие измерения необходимы для определения работы выхода электрона?

Список литературы

1. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Электричество.– М.: Наука, 1983.

2. Савельев И.В. Курс общий физики. – М.: Наука, 1998, кн. 5.

3. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2002.

11


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

73697. Генерирование колебаний в электрических цепях 668.5 KB
  В цепях, содержащих обратные связи, могут возникнуть изменяющиеся во времени электрические токи без воздействия на эти цепи внешних управляющих сигналов. Такие цепи называют автоколебательными системами, а колебания - автоколебаниями.
73698. Цели и задачи дисциплины «Экономика ресурсосбережения». Значение ресурсосбережения в современных условиях. Причины современного состояния в сфере ресурсосбережения 55 KB
  Экономика ресурсосбережения наука отражающая формы производственных отношений в процессе рационального использования воспроизводства природных ресурсов и охраны окружающей среды. На протяжении всей своей жизни человечество сталкивалось с ограниченностью ресурсов. С 1996 года в России действуют 2 структуры Комитет по охране окружающей среды Министерство природных ресурсов. Исследование шло по пяти глобальным направлениям мировой динамики ускорение индустриализации быстрый рост населения нарастание голода истощение невозобновляемых...
73701. Работа сил электростатического поля 223.5 KB
  Работа сил электростатического поля по перемещению заряда по замкнутому контуру равна нулю. Эта формула справедлива не только для поля точечного заряда но и для электростатического поля вообще. Работа сил электростатического поля по замкнутому контуру называется циркуляцией вектора напряженности электростатического поля. Стокса циркуляция вектора напряженности электростатического поля по контуру L равна потоку ротора поля через поверхность.
73702. Эквипотенциальные поверхности 353 KB
  Нельзя ли нарисовать поле с точки зрения скаляра. Поле точечного заряда. Электрическим диполем называется пара точечных зарядов разного знака одинаковых по модулю жестко закрепленных на одинаковом расстоянии друг от друга. Рассчитаем поле диполя.
73703. Dектор электрической индукции и вектор поляризации 199 KB
  Ранее были введены следующие два вектора: вектор электрической индукции и вектор поляризации. Где проекция вектора на любое направление параллельное плоскости. Граничные условия для вектора так же выполняются т. Гаусса выполняется и для вектора но вектор не реагирует на внешние заряды только на поляризационные.
73704. Электростатика проводников 156.5 KB
  В проводнике заряды могут двигаться при наложении маленьких полей в пределе бесконечно малых. Проводник это такая среда содержащая свободные заряды которые можно перемещать по объему без совершения работы идеальный проводник. Такие проводники в природе существуют.