Описание лабораторной установки

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ

Рис. 3. Лабораторный комплекс ЛКК-2М "Опыт Франка и Герца"

Номера вынесенных позиций соответствуют номерам элементов комплекса ЛКК-2М в перечне состава изделия (комплекта поставки). Комплекс ЛКК-2 дополнительно комплектуется осциллографом. Конс­трукция каркаса может отличаться от приведенной на рисунке.

Модуль "Опыт Франка и Герца" (рис. 3) позволяет изучать параметры газа, наполняющего трехэлектродную лампу (манометрическая лампа ПМИ-2 с инертным газом при давлении 1 - 3 мм. рт. ст.). Устройство лампы показано на рис. 4. Нить накала 1 одновременно является ка­тодом лампы. Сетка 2 выполнена в виде спирали, навитой вокруг ни­ти накала. Вокруг сетки расположен цилиндрический катод 3. Стек­лянный баллон лампы 4 установлен на цоколе 5. Контакты катода и сетки выведены на ножки цоколя, анод соединен с колпачком на бал­лоне лампы.

Рис. 4. Схема трехэлектродной лампы	Рис. 5. Схема включения лампы

Схема включения лампы приведена на рис. 5. Она же воспроизве­дена на лицевой панели модуля. Регулируемый источник 1 тока нака­ла позволяет установить ток, при котором получается удобная для измерений вольт-амперная характеристика лампы. Между катодом и сеткой включен источник 2 ускоряющего напряжения. При снятии ха­рактеристик вручную (по точкам) напряжение этого источника регу­лируется ручкой на панели модуля. Для получения характеристик на экране осциллографа этот источник переводится в режим, при кото­ром его напряжение изменяется по пилообразному закону (развертка) с частотой 15 - 20 Гц. Потенциал анода относительно сетки устанав­ливается отрицательным с помощью источника задерживающего напря­жения 3. Значение этого напряжения регулируется в пределах от 0 до 6 В ручкой со шкалой на панели модуля. Для определения анодного тока измеряют падение напряжения на резисторе R, включенном пос­ледовательно с анодом. Отметим, что измеряемые параметры, как правило, выводятся на измерительные приборы не непосредственно, а после их обработки электронной схемой. Однако наиболее важное для конечного результата ускоряющее напряжение Uуск выводится на гнездо панели модуля напрямую.

В модуле размещены две лампы, наполненные различными газами. Дляих поочередного исследования аноды и сетки ламп соединены па­раллельно и подключены к измерительной системе, а нити накала включены последовательно, при этом одна из них закорочена, и со­ответствующая лампа не работает. Выбор лампы производится тумбле­ром "Л1/Л2" на передней панели блока. Наполнение ламп указано в разделе "Состав изделия". Номер лампы и наполнение указаны также в надписи на цоколе лампы.

Вид на переднюю панель модуля "Опыт Франка и Герца" приведен на рис. 6. Исследуемые лампы видны в окне 8. Стрелочный измери­тельный прибор (поз. 3) измеряет анодный ток I_A, предел шкалы при­бора - 100 мкА. Ручка "U_ЗАД" (поз. 4) устанавливает значение за­держивающего напряжения в соответствии с надписями на шкале, рас­положенной вокруг ручки. На гнездо "U_УСК" (поз. 13) выведено уско­ряющее напряжение. Значения U_ЗАД и U_УСК измеряются мультиметром на соответственно обозначенных гнездах относительно общего прово­да схемы, выведенного на два гнезда "..." (поз. 11).

На гнездо "Y" (поз. 10) выведено напряжение, пропорциональное анодному току I_A (коэффициент пропорциональности 0,1 В/мкА, мак­симальное напряжение 10 В соответствует току 100 мкА).

На гнездо "X" (поз. 12) выведено напряжение, пропорциональное ускоряющему напряжению U_УСК (коэффициент пропорциональности 0,1; максимальному напряжению 10 В соответствует ускоряющее напряжение 100 В).

Контроль тока накала осуществляется измерением напряжения на резисторе R_H = 1,00 Ом между гнездами "I_H" и "U_УСК". Значение из­меренного напряжения в вольтах равно значению тока в амперах.

Тумблер "ИМП/НЕПР" управляет режимом измерения анодного то­ка. В положении "НЕПР" ток накала лампы постоянен, а измерение анодного тока производится непрерывно. Вследствие падения напря­жения на нити накала (в нашей установке это 4 – 6 В) для электро­нов, вылетевших из разных точек нити накала (она же катод), ус­коряющие напряжения будут различными, что приведет к "размазыва­нию" изучаемой в опыте вольт-амперной характеристики - зависимости тока анода от ускоряющего напряжения катод-сетка. Это нежелатель­ное явление устраняется с помощью импульсного режима измерений. В положении "ИПМ" ток накала периодически отключается на короткое время (25 мкс), в течение этого времени производится измерение анодного тока, затем ток накала восстанавливается.

Рис. 6. Панель модуля «Опыт Франка и Герца»

Тумблер "==/_/\_" управляет режимом измерений. В положении «==» производится снятие характеристики "по точкам", при этом значение ускоряющего напряжения устанавливается двумя ручками "U_УСК" (поз. 6 – грубая регулировка и поз. 7 – плавная регулировка) и измеряется мультиметром, подключенным к соответствующим гнез­дам. В положении "_/\_" ускоряющее напряжение изменяется по пило­образному закону. Если при этом с гнезд "X" и "Y" подать сигналы на соответствующие входы осциллографа, то на экране получится исследуемая характеристика лампы - зависимость анодного тока от ускоряющего напряжения. Рекомендуемые коэффициенты отклонения по обеим осям осциллографа - 1 В/деление. Если осциллограф не имеет входа "X", представление о виде характеристики даст обычная ос­циллограмма сигнала "Y".

Для замены ламп нужно снять модуль с каркаса, отвинтить 4 винта на задней стенке модуля и снять кожух, снять закрепленный винтом хомут крепления ламп и вынуть лампуиз цоколя. Некоторые лампы большой длины потребуют также снятия торцевой стенки моду­ля. Для установки лампы нужно проделать обратные процедуры.

Для включения модуля нужно вставить разъем шнура сетевого питания в гнездо на задней стенке модуля, подключить шнур питания к сети 220 В и поднять ручку тумблера "ВКЛ" (поз. 15).

Клемма заземления прибора помечена знаком "—||"

Рис. 7. Вольт-амперная характеристика

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРИМЕНЕНИЮ

Подключите прибор к сети. Сигналы "X" и "Y" подайте на соот­ветствующие входы осциллографа (коэффициент отклонения 1 В/дел.). Если осциллограф не имеет входа "X", представление о виде харак­теристики даст осциллограмма сигнала "Y". Ручку регулировки тока накала поверните против часовой стрелки до упора. Тумблер режима измерений поставьте в положение "_^V.". Мультиметром контроли­руйте ток накала.

Включите прибор тумблером "СЕТЬ". На экране осциллографа появится горизонтальная линия – вольт-амперная характеристика в отсутствие анодного тока. Плавно увеличивая ток накала до 1,0 - 1,3 А, наблюдайте появление свечения нити накала лампы и вместе с этим - появление анодного тока на характеристике. Подбирая ток накала и задерживающее напряжение, получите характеристику типа приведенной на рис. 7. Рекомендуемое значение первого максимума анодного тока I_{MAX 1} составляет 30 - 50 мкА (3-5 В на выходе "Y"), первого минимума – 0 - 20 мкА. Сравните характеристики, получаемые в режимах "НЕПР" и "ИМП".

Первый ("резонансный") потенциал возбуждения атомов газа, заполняющего лампу, определяется в нашей установке как разность ускоряющих напряжений U₁ и U₂, соответствующих первому и второму спаду анодного тока (см. рис. 7). Потенциал наиболее быстрого спадания тока определяется по среднему току, значение которого нахо­дится посередине между токами максимума и минимума:

.

Грубо значения U₁ и U₂ можно оценить по шкале осциллографа. Напряжение 1 В на выходе "X" соответствует 10 В ускоряющего напря­жения. Для более точных измерений перейдите в режим "===". Плавно изменяя ускоряющее напряжение ручкой “U_УСК“, следите за изменени­ями анодного тока, зарегистрируйте его максимумы и минимумы, ус­тановите среднее значение тока и определите соответствующие зна­чения ускоряющего напряжения. Встроенный мультиметр позволяет из­мерить с погрешностью порядка 0,1 В.

Значения первых потенциалов Ф1 возбуждения инертных газов:

Гелий - 21,6 В Неон - 16,6 В Аргон - 11,5 В

Криптон Ксенон

9,9В 8,3 В

Таблица

Номер лампы наполнен	IH,A UЗ,B	IMAX1,мкА	IMIN,мкА	I1, мкА	U2,B	IMAX2,мкА	IMIN2,мкА	I2, мкА	U2,B	φ1, В

Контрольные вопросы И ЗАДАНИЯ

1. Упругое взаимодействие электрона с веществом.

2. Неупругое взаимодействие электрона с веществом.

3. Методы определения распределения скоростей электронов.

4. Метод задерживающего потенциала.

5. Сущность эффекта Франка и Герца.

6. Можно ли наблюдать эффект Франка и Герца в среде с набором различных газов?

7. Как зависит эффект Франка и Герца от температуры?

Дата добавления: 2014-10-23