Физика \ Электричество и магнетизм

Изучение вакуумного диода и определение заряда электрона (Лабораторная работа № 4)

Страницы работы

6 страниц (Word-файл)

Скачать файл

Содержание работы

Лабораторная работа № 4.

ИЗУЧЕНИЕ ВАКУУМНОГО ДИОДА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ

ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА

Цель работы: определение удельного заряда электрона на основе анализа вольт - амперных характеристик вакуумного диода.

Приборы и принадлежности: радиолампа 2Ц2С, вольтметр в анодной цепи на 300 В, миллиамперметр в цепи анода на 200 мА, амперметр в цепи накала на 2 А, реостат в цепи накала, ЛАТР, соединительные провода.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Если в какой-либо мере справедливы представления об электронном газе в кристаллической решетке или о свободных электронах в металлах, то следует ожидать, что с повышением температуры появятся электроны, обладающие достаточным запасом энергии, чтобы совершить работу выхода и вылететь за пределы металла.

Условие, при котором электрон может вылететь из металла, имеет вид

, (4.1)

где - масса электрона,

- проекция скорости электрона на направление нормали к поверхности металла,

- внутренний потенциал,

- заряд электрона.

Выход свободных электронов металла называется эмиссией электронов. Эмиссия электронов может происходить под воздействием ударов частиц (электронов и ионов) о поверхность металла (вторичная эмиссия), под воздействием падающего на металл света (фотоэмиссия), в результате теплового движения свободных электронов (термоэлектронная эмиссия).

Термоэлектронную эмиссию удобно наблюдать и изучать с помощью вакуумных диодов, у которых катодом служит накаливаемая электрическим током проволока (нить) из тугоплавкого металла. Анод обычно имеет форму металлического цилиндра, на оси которого располагается катод. Если такой диод включить в электрическую цепь (рис. 4.1.), то при раскаленном катоде в ней появляется ток.

Вольт- амперные характеристики вакуумного диода при различных температурах катода приведены на рис. 4.2.

Они нелинейны – закон Ома для вакуумных ламп не выполняется. При малых напряжениях, т.е. в начальной части характеристики, выполняется (приблизительно) закон Богуславского - Ленгмюра (закон трёх вторых):

(4.2.)

Рис. 4.1

Величина постоянной зависит только от формы и размеров электродов. Для цилиндрических коаксиальных электродов можно записать приближённую формулу

, (4.3.)

где: - электрическая постоянная,

- длина катода,

- радиус анода,

- коэффициент, зависящий от соотношения радиусов анода и катода (при большом отношении он стремиться к единице),

- заряд электрона,

- его масса.

В средней части характеристика близка к линейной, а затем наступает насыщение – ток перестаёт зависеть от напряжения. Насыщение наступает тогда, когда все испускаемые катодом электроны попадают на анод. Повышение температуры катода увеличивает эмиссию, а, следовательно, и ток насыщения.

Рис. 4.2

Исходя из (4.2.), графически функциональная зависимость

представляет собой прямую линию (рис. 2.3.). Линейность графика, построенного по экспериментальным данным, доказывает выполнение закона Богуславского - Ленгмюра. По тангенсу угла наклона определяется постоянная

Рис. 4.3

Величину удельного заряда электрона, т.е. отношение заряда к его массе можно найти из (2.3.) следующим образом:

(4.4.)

Следует отметить, что на точность результатов может влиять ряд факторов: асимметрия электродов, наличие остатков газа в баллоне, неэквипотенциальность катода, неоднородность электрического поля внутри цилиндрического диода и др.

Описание установки

Схема используемой установки изображена на рисунке 4.4. Источником тока

, напряжение которого равно 6 В, накаляется катод; сила тока накала регулируется при помощи реостата .

Амперметр используется для измерения силы тока в цепи накала. Источником анодного напряжения является выпрямитель, который питается через ЛАТР от сети переменного тока 220 В, что даёт возможность регулировать с его помощью напряжение анода. Вольтметр и миллиамперметр служат для измерения напряжения и силы тока в анодной цепи.

Выполнение работы

1. Полностью вывести реостат .

2. Включить стенд.

3. Установить ток накала лампы и дать лампе несколько минут прогреться.

4. С помощью ЛАТРа постепенно увеличить анодное напряжение (шаг 2 В) и каждый раз определять силу анодного тока .

5. Полученные данные занести в таблицу 4.1.

6. Повторить пункты 3 и 4 для тока накала .

7. Построить графики трёх опытов в одной системе координат.

8. Убедиться в линейности полученных графиков, а, следовательно, и в выполнении закона Богусловского - Ленгмюра.

Таблица 4.1

9. По графикам определить угловой коэффициент полученной прямой , определить среднее значение углового коэффициента , вычислить абсолютную погрешность . Полученные данные занести в таблицу 4.2.