ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.47

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ ПО СКОРОСТЯМ ПРИ ТЕРМОЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ

Цель работы: Изучение распределения электронов по скоростям в промежутке анод-катод электронной лампы методом задерживающего потенциала.

Приборы и принадлежности: модульный учебный комплекс МУК-О «Квантовая оптика»

Введение

Как отмечалось во введении к лабораторной работе №46, в электронных лампах широко используется явление термоэлектронной эмиссии из катода, который может быть изготовлен либо из металла, либо из полупроводника.

Электронный газ. Рассмотрим кристаллическое твердое вещество металл или полупроводник. Часть атомов, образующих кристаллическую решетку, теряют свои валентные электроны, которые становятся, так называемыми, свободными электронами проводимости внутри этого вещества. Слово «свободные» нельзя понимать в абсолютном смысле, так как в действительности между этими электронами и решеткой существует вполне определенная связь и, кроме того, выход этих электронов из вещества в окружающее пространство крайне затруднен.

Рассматривая свойства электронного газа необходимо иметь в виду, что он образован фермионами, которые подчиняются принципу запрета Паули: в системе не может быть более двух электронов с одной и той же энергией, а два электрона с одинаковой энергией должны отличаться направлением спина.

Используя законы квантовой механики и статистической физики, а также метод задерживающего потенциала (см. лаб. раб. №46^а), можно получить (см. Приложение к лаб. работам №46^а и №47) формулу (2^а) в работе №46^а, которая позволяет вычислить зависимость силы тока анода I_А от величины задерживающего отрицательного напряжения U_A между анодом и катодом при температуре катода T:

, (2^а)

где k – постоянная Больцмана; - сила тока при нулевом напряжении между катодом и анодом; e – элементарный электрический заряд.

Убедившись, что отношение сил токов действительно, как это предсказывается формулой (2^а), равно при любых значениях тормозящего напряжения , можно сделать вывод о правильности тех представлений (см. Приложение), которые привели к формуле (2^а).

Еще раз отметим эти представления:

3) газ электронов, эмитированных из нагретого катода, подчиняется распределению Максвелла для температуры катода;

4) потенциальный барьер, который преодолевают электроны на их пути к аноду, не изменяет характер распределения.

Методика измерений

Схема измерений.Для проверки соотношения (2^а) необходимо измерить зависимость силы тока от напряжения при различных температурах , которые также необходимо измерить. Все это можно сделать с помощью электрической схемы изображенной на рис.1, которая ранее использовалась в лабораторной работе №46^а.

Рис.1

Основным элементом схемы является вакуумный диод 1. Нагрев катода этой радиолампы осуществляется с помощью генератора переменного напряжения 6. Сила тока накала, а, следовательно, и температура катода могут изменяться ступенчато путем подключения последовательно с нитью накала резисторов . Постоянное напряжение между катодом и анодом создается с помощью генератора напряжения 4. Путем переключения проводников «а» и «б» можно подать на анод как положительный, так и отрицательный потенциал относительно катода. Регулировка напряжения осуществляется переменным резистором . Сила анодного тока измеряется микроамперметром 3, а напряжение - вольтметром 2.

При выполнении лабораторной работы №46^а для вакуумного диода была определена зависимость контактной разности потенциалов от температуры катода , которая равна температуре газа эмитированных электронов. Эти результаты следует использовать при выполнении данной лабораторной работы.

Задание к работе.

1. Заготовьте таблицу измерений (см. образец).

2. Соберите схему измерений (рис.1). Схема позволяет снять вольт-амперную характеристику вакуумного диода как для всей области задерживающего поля между катодом и анодом, так и для достаточно информативной области ускоряющего поля без переключения генератора (4) проводниками «а» и «б». При сборке подключите в цепь накала катода резистор .

3. Не включая электропитание, поверните ручку регулировки выходного напряжения генератора 4 против часовой стрелки до упора (на минимум). Ручку регулировки выходного напряжения генератора напряжения 6 поверните по часовой стрелке до упора (на максимум ~6В). Амперметр-вольтметр установите в режим измерения постоянного тока (кнопка отжата). Установите на нем предел измерения напряжения 2В, а силы тока 20 мкА.

4. Снимите зависимость силы анодного тока от напряжения , меняя напряжение резистором через ~0,05В. Для того чтобы внутреннее сопротивление вольтметра, подключенного параллельно диоду, не вносило существенную погрешность в измеряемую микроамперметром силу анодного тока, начинайте измерения с токов не меньших ~5мкА. Внесите полученные значения в таблицу измерений.

5. Чтобы не перегревать тепловым излучением катода анод лампы, что искажает величину анодного тока, отключите генератор переменного напряжения на время проведения последующих вычислений и построения графика.

6. Вычислите и внесите в таблицу величину .

7. Постройте график зависимости .

8. Вычислите и внесите в таблицу измерений истинное напряжение между катодом и анодом , пользуясь формулой (3) лабораторной работы №46^а:

. (3^а)

9. Вычисления достаточно сделать только для отрицательных значений .Определите, с помощью графика или по таблице измерений, силу тока , которая соответствует нулевому значению истинного напряжения .

10. Для отрицательных значений , зная температуру электронного газа, вычислите и внесите в таблицу величину .

11. Для отрицательных значений , зная , вычислите отношения .

12. Сравните численные значения и , сделайте выводы.

13. Повторите все измерения и вычисления (п.п. 3-12) для больших температур, подключая в цепь накала катода оставшиеся резисторы и , наконец, подключая нить накала напрямую.

14. Проанализируйте полученные результаты.

Образец таблицы измерений для одного значения тока накала

(с пояснениями по каждой величине)

Изме-ряется в опыте	Изме-ряется в опыте	Вычис-ляется	По графику	Вычис-ляется	Вычис-ляется по графику	Вычис-ляется	По графику	Вычис-ляется	Вычис-ляется
, В	, мкА		В	, В	, К		, мкА

Контрольные вопросы.

1. Как устроена и на каком принципе работает электронная лампа?

2. Какие физические эффекты приводят к эмиссии электронов?

3. Какому статистическому распределению подчиняется газ электронов

1) внутри металлического катода, 2) вблизи анода?

4. Почему свободные электроны не могут легко диффундировать из вещества в вакуум?

5. Какой кинетической энергией должны обладать электроны в катоде, чтобы попасть на анод?

6. Какая формула позволяет вычислить плотность тока при термоэлектронной эмиссии?

7. Почему график зависимости силы анодного тока от напряжения между анодом и катодом строится в координатах ?

8. Может ли электрон, обладающий достаточной энергией при выходе из катода, не попасть на анод?

9. Как измерить температуру электронного газа?

10. Какие величины, полученные в результате опытов, сравниваются, о чем говорит это сравнение?

Литература

1. В.И.Гапонов Электроника, Ч.1, М.: 1960.

2. Епифанов Г.И. Физика твердого тела – М.: Высшая школа, 1965.

3. Савельев И.В. Курс общей физики, т.3, М.: Наука, 1982.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1