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

79 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

20228. Полімерні молекули. Полімерний клубок. Формула Флорі 62 KB
  Полімерні молекули ланцюги з великої кількості ланок вони можуть відрізнятися складом однакові ланки або різні степенем гнучкості числом гілок та заряджених груп. Найпростіша полімерна молекула послідовність великої кількості атомних груп з`єднаних у ланцюг ковалентними хімічними зв`язками. N масі ланцюга. Полімерний ланцюг має N 1 N 102 104 Полімерні молекули поділяються на лінійні та тривимірні.
20229. Рівняння Клапейрона-Клаузіуса 68 KB
  Рівняння КлапейронаКлаузіуса це термодинамічне рівняння що відноситься до процесів переходу речовини із однієї фази в іншу випаровування плавлення сублімація. Рівняння КК застосовне до будьяких фазових переходів що супроводжуються поглинанням або виділенням теплоти так званим фазовим переходом 1го роду і є прямим наслідком умов фазової рівноваги з яких воно і виводиться. Тепер розглянемо рівновагу трьох фаз: Потрійна точка одночасне існування трьох фаз Розв‘язок : р0 Т0 Тепер отримаємо рівняння Клапейрона Клаузіуса: ...
20230. Співвідношення Онзагера 35.5 KB
  Співвідношення Онзагера. Теорія Онзагера одна з основних теорем термодинаміки незворотних процесів встановлена в 1931р. Згідно з теоремою Онзагера якщо немає магнітного поля і обертання системи як цілого то =2. Якщо ж на систему діє зовнішнє магнітне поле Н і система обертається зі швидкістю ω то 3 Це повязано з тим що сила Лоренца і Коріоліса не змінюються при зміні напрямку швидкості частинок лише в тому випадку якщо одночасно змінюється на протилежне напрямок магнітного поля або відповідно швидкості обертання ця властивість...
20231. Рівняння стану щільних газів і рідин(теорія ББГКІ) 97 KB
  станів системи Характеризує густину ймовірності такого стану сми коли одна частинка буде в стані з координатою друга UNенергія взаємодії N частинок. станів системи розглядають набір із N кореляційних функційрізного порядку: унарна кореляційна функція яка характеризує густину ймовірності що одна частинка системи матиме узагальнені координати при довільному розташуванні N1 частинок; бінарна кореляційна функція характеризує густину ймовірності одночасного попадання двох частинок системи в точки координаційного простору і при...