Microsoft Word Fizika umk II chast 2 ëàáîðàòîðèÿ. doc

11, м

l2, М

R о,

Ом

Rопос, Ом

R о пар, Ом

Rx 1, Ом

Rx 2, Ом

Rx пос, Ом

Rx пар, Ом

Rx пос т, Ом

Rx пар т, Ом

1

2

3

4

5

Контрольные вопросы

1. 
   Как выражается первый и второй правила Кирхгофа?
   
2. 
   Напишите уравнения Кирхгофа к схеме, используемой в данной работе.
   
3. 
   Что такое потенциал и падение потенциала?
   
4. 
   Расскажите об условиях существования тока в электрической схеме.
   
5. 
   Что такое короткое замыкание и сверхпроводимость?
   

Лабораторная работа № 9
Исследование явлений термоэлектронной эмиссии.
Цель работы: Изучение явления термоэлектронной эмиссии с помощью лампового диода, проверка закона Богуславского-Ленгмюра.
Приборы и принадлежности: двухэлектродная электронная лампа (диод), два вольтметра, микроамперметр, потенциометр, реостат, источник постоянного напря­жения в 120 в, источник постоянного или переменного напряжения в 6 В.
Теоретические сведения
Термоэлектронная эмиссия. Свободные электроны (в 1 см3 имеется 10²²-10²3 электронов), находящиеся в состоянии беспорядочного движения, не выходят из металла, так как их удерживают электрические силы. Возникают эти силы в результате двух причин:

1. 
   между свободными электронами и положительно заряженной ионной решеткой существуют силы взаимодействия;
   
2. 
   в результате теплового движения некоторые из свободных электронов, находящихся вблизи поверхности металла, могут перейти эту поверхность и несколько удалиться от нее, поэтому поверхность металла окутана электронной оболочкой, толщиной порядка нескольких межатомных расстояний в металле. Эта электронная оболочка заряжена отрицательно, а поверхность металла вследствие обеднения ее электронами - положительно. Следовательно, возникает сила, притягивающая электрон и мешающая ему выйти.
   

Эти причины приводят к возникновению в поверхностном слое металла потенциального барьера. Для того чтобы электрон мог пройти через этот барьер и удалиться из металла, необходимо совершить работу. Работа, которую надо совершить на освобождение электрона e из металла, называется работой выхода A:
A=e Аф, (1)
где e - заряд электрона, Лф - поверхностный скачок потенциала или контактная разность потенциалов между металлом и окружающей средой. Работа выхода не­одинакова для различных металлов и зависит от их структуры.
При невысоких температурах энергия свободных электронов меньше работы выхода.
Эмиссию (испарение) электронов с поверхности металла можно получить:

1. 
   при нагревании металла - имеем термоэлектронную эмиссию;
   
2. 
   при помещении металла в сильное электрическое поле, которое “подхватывало” бы электроны с поверхности металла (холодная эмиссия);
   
3. 
   при облучении металла светом - получим фотоэффект;
   
4. 
   при бомбардировке поверхности металла электронами, ионами или другими частицами (вторичная термоэлектронная эмиссия).
   

Из вольт-амперной характеристики видно, что с увеличением анодного напряжения (Ua) анодный ток тоже возрастает. При этом действительно увеличивается число электронов приходящих в анод.
Зависимость анодного тока от анодного напряжения (рис. 1) не совпадает с законом Ома для справедливого для проводников. Аналитическую формулу кривой характеризующей зависимость Ia=f(Ua) теоретически определили Богуславский и Ленгмюр. Эта формула имеет следующий вид:
Ia=BUa^3/2.
Эта формула называется законом Богуславского-Ленгмюра.
Теория метода и описание установки.
Двухэлектродная электронная лампа (диод) представляет собой вакуумную лампу (давление в ней примерно 10^-7 мм рт.ст.) с двумя электродами, выполняющими совершенно различные функции, - анодом A и катодом K (рис. 2, б).
Анодом служит металлический цилиндр, вдоль оси которого расположена нить накала - катод - тончайшая вольфрамовая проволочка. Концы нити накала и анод включаются в цепь с помощью медных ножек, выведенных через цоколь.
Сущность происходящих в диоде физических процессов состоит в следующем. При
нагревании током нити накала возникает термоэлектронная эмиссия. Отдельные, наиболее быстрые электроны получают энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера, вылетают за пределы нити и образуют в баллоне электронное облако, препятствующее дальнейшему вылету электронов. Если анод и катод соединить вне лампы проводником, то часть электронов, оседающая на аноде, вызовет слабый ток во внешней цепи. Если же сообщить аноду некоторое положительное напряжение, то к нему устремится большее количество электронов - ток во внешней цепи усилится. Если продолжать увеличивать напряжение на аноде при том же накале, то ток будет расти, но лишь до определенного предела. Это связано с тем, что число электронов, достигающих анода за единицу времени, становится равным числу электронов, вылетающих за то же время с катода. Установившийся при этом в цепи максимальный термоэлектронный токи возможный при данной температуре накала, называется током насыщения. Для увеличения тока в лампе надо увеличить температуру накала. Ток насыщения может быть и для неизменного напряжения на аноде.
Графики, выражающие первую и вторую зависимости, называются соответственно температурной и анодной характеристиками лампы. Эти характеристики, зависящие от конструктивных особенностей лампы, позволяют определить пригодность лампы для тех или иных целей, и в первую очередь в качестве выпрямителей (диод пропускает ток в одном направлении).
Порядок выполнения работы

1. 
   Собирается схема на рис.2,а.
   
2. 
   На катод подается напряжение Uk=0,8 В и записывается значение тока катода. До нагревания катода ждут 2-3 минуты.
   

3. 
   С помощью реостата R1 устанавливается начальное анодное напряжение Ua=10 В и записывается значение тока анода Ia в таблицу 1. Затем увеличивая напряжение анода с помощью реостата R1, для значений 20, 30, 40 В ... записывается значение тока анода Ia в таблицу 1. Измерение проводится до тех пор, пока ток анода не дойдет до насыщения (при насыщении показание миллиамперметра станет неизменным).
   
4. 
   Затем увеличивая напряжение на катоде для значений 0,9: 1,0: 1,1 и 1,2 В повторяется измерения в пункте 3. Записывается ток анода для каждого значения напряжения катода..Таблица 1
   

Ua, B	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100	Uk	Ik	Тк
Ia, (мА)												0,8	0,68
												0,9	0,72
												1,0	0,78
												1,1	0,82
												1,2

5. С помощью значений взятых из таблицы 1 строится вольт-амперная характеристика диода. При этом для каждого значения температуры строится отдельная вольт-
амперная характеристика.

6. 
   С помощью формулы Tk=(Uk/(IkRk))- T_x (Tx=20°C, Rk=0,5 Ом) для каждого значения Uk
   

определяется температура катода.

6. 
   Работа выхода электронов определяется с помощью первой и второй, второй и третьей и т.д. вольтамперных характеристик или с помощью следующих формул
   

A = T2 lg Irzi, или A = JT£- -ln Щ
(T2 -T),.0.4343 IT,,T^{1 2 3 4} T2 -T1 I,T²
8. Работа выхода определяется в джоулях и электрон-вольтах и заносится в таблицу 2. Также определяютс среднее значение работы выхода, абсолютная и относительная ошибки. Таблица 2

№	Uh, (V)	Ih, (A)	t, (K)	Inac	a, (Дж )	Acp, (Дж )	aa, (Дж)	AAcp, (Дж )	Acz- -100% Acp
1	0,8	0,68	700
2	0,9	0,72	722
3	1,0	0,78	751
4	1,1	0,82	786

Контрольные вопросы