Electrichestvo / 03-Лабораторная-3

Лабораторная работа № 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНОВ ИЗ МЕТАЛЛА

1. Цель работы: определение работы выхода электронов из металла.

2. Закономерности термоэлектронной эмиссии.

Вследствие хаотичности теплового движения свободных электронов металла отдельные электроны приобретают избыток кинетической энергии и вылетают из металла. Происходит как бы «испарение» электронов из металла, тем более интенсивное, чем выше его температура. Когда некоторая часть электронов выходит из металла, он заряжается положительно и притягивает электроны. В результате устанавливается некоторая равновесная концентрация электронного пара над металлом, резко возрастающая при повышении температуры. Испускание электронов нагретыми металлами носит название термоэлектронной эмиссии.

Для исследования явления термоэлектронной эмиссии, как правило, используется вакуумный диод, представляющий собой сосуд, из которого откачан воздух и в который введены два электрода – катод и анод. Катод представляет собой металлическую спираль, нагреваемую протекающим по ней током. На анод подается положительный потенциал относительно катода. Под действием приложенной разности потенциалов электроны, испущенные накаленным катодом, движутся к аноду и равновесие концентрации электронов, вблизи катода нарушается. Чем выше напряженность электрического поля между электродами, тем большая часть испущенных катодом электронов направляется к аноду.

При больших разностях потенциалов между электродами практически все электроны, «испаряющиеся» с катода, достигают анода – устанавливается ток насыщения. Если повысить температуру катода, то испускание электронов усилится, и ток насыщения возрастет. Точный теоретический расчет с учетом волновых свойств электронов в металле дает формулу Ричардсона-Дэшмана

, (3.1)

где k – постоянная Больцмана, А_вых – работа выхода электронов из металла, T – температура, B – постоянная, зависящая от свойств материала. Логарифмируя выражение (3.1), получаем

, (3.2)

где C=ln B=const.

Таким образом, зависимость от 1/T носит линейный характер, а угловой коэффициент этой прямой равен отношению работы выхода к постоянной Больцмана.

3. Описание экспериментальной установки.

Лабораторная работа выполняется на комплексе ЛКЭ-4. Основной модуль (рисунок 3.1) смонтирован на панели, на которой изображены схемы соединений. Изучаемый объект – диод прямого накала 1Ц11П виден в окне в верхней части панели. Вольтамперная анодная характеристика диода может быть получена для различных температур катода, определяемых по сопротивлению нити накала. В работе используется ток насыщения, соответствующий максимальному значению анодного напряжения.

Тумблер "100В/ -2В" – переключатель диапазонов анодного напряжения (ИПА), приложенного между контактами "0" и "6". При верхнем положении рукоятки тумблера это напряжение является ускоряющим и регулируется в пределах от 0 до 100 В. При нижнем положении рукоятки это напряжение является задерживающим и регулируется в пределах от 0 до –2В. Регулятор анодного напряжения – резистор R₁ (на схеме не указан).

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 «0» положительная. Регулятор тока накала – резистор R₂, включенный последовательно в цепь катода. Среднее значение тока накала измеряется стрелочным прибором с пределом шкалы 200 мА. Более точно ток накала определяется по падению напряжения на эталонном резисторе R₀=20,01,0 Ом, включенном последовательно в цепь катода.

Рисунок 3.1 – Схема работы МРТ-2. ИПН – источник питания накала, ИПА – источник питания анода

На рисунке 3.1 показано подключение источника питания накала ИПН и источника анодного напряжения. Расположение контактов 0,…,6 примерно соответствует их расположению на панели прибора.

4. Порядок выполнения работы.

4.1. Включить установку. Установить переключателем на мультиметре режим для измерения постоянного напряжения. Включить мультиметр.

4.2. Провести измерения для фиксированного значения температуры нити накала:

4.2.1. Источник питания накала – в режиме ПОСТ. Анодное напряжение – ускоряющее (режим +100 В). Установить конкретное значение тока накала I_нак (таблица 3.1) резистором R₂.

Таблица 3.1 – Экспериментальные данные

Iнак, А	0,55	0,60	0,65	0,70	0,75	0,80	0,85	0,90
U0, В
Uк, В
Т, К
UA, В
Iнас, мкА
1/Т, К^-1
Iнас/Т^2
ln(Iнас/Т^2)

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

(3.3)

4.2.3. Измерить анодный ток насыщения, для этого подключить мультиметр параллельно цепи R_A1+R_A2=1105 кОм, как показано на рисунке 3.1. Ток насыщения определяют, как анодный ток при больших значениях анодного напряжения

. (3.4)

4.3. Повторить измерения, указанные в пп. 4.2 для 8 значений температуры нити накала. Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 3.1. Выключить приборы.

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

R_к=(T–), (3.5)

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

. (3.6)

Сопротивление катода при комнатной температуре (T₀=20C) R_к0=1,420,07 Ом.

Относительная погрешность мультиметра 0,5% от диапазона измерений.

4.5. Построить график зависимости

4.6. По графику определить значение работы выхода электронов из металла.

Контрольные вопросы

1. Явление термоэлектронной эмиссии.

2. Электровакуумный диод и его использование для преобразования переменного тока в постоянный.

3. Вольтамперная характеристика вакуумного диода.

4. Методика измерения работы выхода электронов из металла.

5. Изменение чувствительности электроизмерительных приборов.

3