Електрика

Електрон може вилетіти з металу, якщо його кінетична енергія

 

 . (2)

 

Явище випускання електронів металами називається електронною емісією.

Внаслідок розподілу електронів по енергіях в металі завжди є деяка кількість електронів, для яких виконується умова (2). При підвищенні температури металу кількість таких електронів різко зростає і емісія стає помітною.

Якщо кінетична енергія електронів в металі збільшується нагріванням, то емісію називають термоелектронною. Явище термоелектронної емісії зручно вивчати за допомогою установки, схема якої зображена на рис.1. Основним елементом схеми є вакуумний діод Д. Це – добре відкачаний металевий або скляний балон, всередині якого є два електроди: катод К та анод А. В даній роботі застосовується вакуумний діод, у якого катод має форму тонкої прямої нитки, а анод – коаксіального з нею циліндра (рис.2). Катод розжарюється струмом від батареї Б. Температуру розжарення можна змінювати регулюванням (за допомогою реостата R) сили струму розжарення  . До електродів діода прикладена напруга від випрямляча В. Величину анодної напруги   можна змінювати за допомогою потенціометра П і вимірювати вольтметром  . Мікроамперметр призначений для вимірювання сили анодного струму  . Величина анодного струму залежить від температури катода і анодної напруги. 

Графік залежності сили анодного струму  від анодної напруги при постійному струмі розжарення   називається вольт-амперною характеристою лампи. На рис.3 зображено три вольт-амперні характеристики вакуумного діода, що відповідають різним температурам розжарення катода. З рис.3 видно, що коли потенціал анода дорівнює нулю, сила струму через діод дуже мала. При збільшенні додатнього потенціалу анода і незмінній температурі катода сила анодного струму зростає згідно з кривою 0-1. При подальшому збільшенні анодної напруги сила анодного струму досягає деякого максимального значення  , що називається струмом насичення діода, і майже перестає залежати від анодної напруги (див. криву 1-4 на рис.3). При збільшенні температури катода характеристика зображається кривими 0125, 01236 і т.д. Струми насичення з підвищенням температури катода швидко зростають. Збільшується також і анодна напруга  , при якій встановлюється струм насичення. З рис.3 видно, що анодний струм залежить від анодної напруги нелінійно, тобто у вакуумі непридатний закон Ома.

Описана залежність сили струму у вакуумі від напруги пояснюється тим, що внаслідок явища термоелектронної емісії навколо катода утворюється просторовий заряд з електронів (електронна хмаринка). Якщо різниця потенціалів між катодом і анодом дорівнює нулю, кожний з електронів, який вилетів з катода, через деякий час знову повертається на катод внаслідок дії сил притягання. В цьому випадку між катодом і електронною хмаринкою встановлюється динамічна рівновага, при якій кількість електронів, що вилітають за одиницю часу з катода, дорівнює кількості електронів, що повертаються назад.

При наявності невеликої різниці потенціалів частина електронів з електронної хмаринки досягає анода і в колі виникає анодний струм. В результаті цього заряд електронної хмаринки зменшується і зменшується кількість електронів, які повертаються з електронної хмаринки на катод. При зростанні різниці потенціалів між катодом і анодом, анодний струм буде збільшуватися, а заряд електронної хмаринки і кількість електронів, які повертаються на катод, зменшуватися. Коли анодна напруга стає настільки великою, що всі електрони, які випускаються катодом за одиницю часу, доходять до анода, електронна хмаринка зникає, сила струму досягає максимального значення і перестає залежати від анодної напруги.

С.Богуславський та І.Ленгмюр незалежно один від одного показали, що залежність сили струму у вакуумі від напруги має вид

 

 , (3)

 

де   – коефіцієнт, який залежить від форми, розміщення і розмірів електродів лампи та від маси і заряду електрона. Формула (3) є рівнянням кривої 0123 (див. рис.3). Вона називається законом Богуславського-Ленгмюра або “законом 3/2”.

Для діода з коаксіальними циліндричними електродами

 

 , (4)

 

де   – коефіцієнт, який залежить від розмірів електродів,   – питомий заряд електрона. Для лампи ІЦІІП, що застосовується в даній роботі, значення коефіцієнта  визначено експериментально (відоме).

З формули (4) при заданому   і попередньо обчисленому за допомогою (3)   можна визначити  :

 

 . (5)

 

Слід зауважити, що закон Богуславського-Ленгмюра справедливий при наявності певних умов. 1. Анодний струм повинен бути далеким від насичення. 2. Найменше значення анодної напруги   не повинно бути дуже малим, щоб не проявлявся вплив контактної різниці потенціалів між катодом і анодом, яка не врахована у формулі (3), та вплив можливої нееквіпотенціальності катода. Друга умова виконується для досліджуваного діода, якщо мінімальне значення анодної напруги становить 3-4 вольти.

 

Хід виконання роботи

 

1. Скласти електричне коло за схемою (рис.1).

2. Реостатом R встановити силу струму розжарення  .

3. Підтримуючи постійний струм розжарення, потенціометром П змінювати анодну напругу   від 3 В до 12 В і через кожний вольт по мікроамперметру знімати значення сили анодного струму  .

4. Дослід повторити ще для двох значень сили струму розжарення   та  . Примітка: сила анодного струму для вакуумного діода ІЦІІП не повинна перевищувати 300 мкА, а сила струму розжарення – 200 мА.

Числові значення   вказує викладач при допуску до роботи.

5. На міліметровому папері в одній системі координат накреслити вольт-амперні характеристики для трьох струмів розжарення .

6. На окремому аркуші міліметрового паперу накреслити для максимального із вказаних трьох значень сили струму розжарення графік залежності сили анодного струму   від  .

7. На прямолінійній частині графіка, тобто для тих анодних струмів та анодних напруг, що задовільняють закону Богуславського-Ленгмюра, вибрати дві якомога віддаленіші точки   та   (див. рис.4) і побудувати прямокутний трикутник  .

8. З трикутника   визначити середнє значення коефіцієнта  , що чисельно дорівнює

 

 . (6)

 

9. Користуючись формулою (5), розрахувати середнє значення питомого заряду.

10. Похибки шуканої величини можна знайти за формулами

 

 ,

 .

 

Тут  –приладова похибка мікроамперметра,   – приладова похибка вольтметра,   – похибка табличної величини, розраховані у відповідності з бажаною надійністю результатів. Паспортні похибки   та   обчислюють, виходячи з класів точності приладів   та їх робочих діапазонів  .

11. Зробити висновки.

Зразки таблиць для запису результатів вимірювань і обчислень

 

Таблиця 1

 

Контрольні запитання:

 

1. Що називають роботою виходу електрона з металу?

2. З яких міркувань випливає існування потенціалу виходу і які причини його виникнення в металах?

3. Що називають електронною емісією?

4. Що називають термоелектронною емісією?

5. Що називають вольт-амперною характеристикою лампи?

6. Пояснити вольт-амперну характеристику вакуумного діода.

7. Записати і пояснити формулу закону Богуславського-Ленгмюра.

8. Що називають питомим зарядом електрона?