ВВЕДЕНИЕ. Цель работы: проверка закона «трех вторых», формулы Ричардсона - Дэшмана и определение работы выхода электронов из катода

ИЗУЧЕНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНОВ

РАБОТА № 10

Цель работы: проверка закона «трех вторых», формулы Ричардсона - Дэшмана и определение работы выхода электронов из катода.

Приборы и принадлежности: лампа 1Ц11П, мультиметры М830В (2 шт.), источники питания лампы.

Явление термоэлектронной эмиссии состоит в том, что с поверхности сильно нагретого металла вылетают электроны. Это явление лежит в основе работы всех электровакуумных приборов. Простейшая электронная лампа состоит из двух металлических электродов и называется диодом. Основные элементы лампы - катод и анод, расположены внутри откачанного до глубокого вакуума стеклянного сосуда. Катод в простейшем случае представляет собой тонкую (обычно вольфрамовую) проволоку, нагреваемую протекающим по ней электрическим током. Температура катода в рабочем состоянии может достигать 2000-2500 градусов по Цельсию. Вылетающие из катода электроны уносят отрицательный электрический заряд, поэтому катод оказывается заряженным положительно. Этот положительный заряд не позволяет электронам улететь далеко от катода, поэтому катод оказывается окруженным облаком электронов. Часть электронов возвращается назад на катод, так что в равновесии количество вылетевших из катода и вернувшихся назад электронов, одинаково, а катод окружен облаком электронов, создающих пространственный электрический заряд.

Если между катодом и анодом приложить разность потенциалов, причем на анод подать более высокий потенциал, то электроны, вылетающие из катода, под действием электрического поля начнут двигаться к аноду. Таким образом, в лампе появится электрический ток. Чем выше разность потенциалов между катодом и анодом, тем быстрее движутся электроны, тем выше сила тока в лампе. Однако в лампе сила тока и разность потенциалов между катодом и анодом не подчиняются закону Ома, а связаны более сложным соотношением:

(1).

Этот закон называют «законом трех вторых» и он справедлив при относительно небольших анодных напряжениях и силах тока. Вывод (1) см. в Приложении 1 к работе. При достаточно высокой разности потенциалов все электроны, выходящие из катода, уходят к аноду. Ясно, что дальнейшее повышение напряжения в лампе уже не будет увеличивать ток, т.е. ток достигнет насыщения[12]. Плотность тока насыщения j_нас зависит от температуры катода T и подчиняется закону, установленному Ричардсоном опытным путем в 1921 году:

(2).

Эта формула была теоретически получена в 1923 г. Дэшманом и носит название формулы Ричардсона-Дэшмана (вывод ее см. в Приложении2 к данной работе). В показателе экспоненты формулы (2), k - постоянная Больцмана, е - заряд электрона, e×j - называется работой выхода электронов из металла. Эта величина определяет работу против сил, удерживающих электрон в металле, которую должен совершить электрон, чтобы выйти из металла. Работа выхода зависит от рода металла, из которого выполнен катод и свойств его поверхности. Коэффициент B для многих металлов близок к значению 60,2 ампер/см² ×град².

Для проверки закона «трех вторых» и формулы Ричардсона – Дэшмана собирают схему, изобра­женную на рис. 2. Ток накала изменяют резистором R_н. При этом изменяется и температура нити накала. Судить о температуре нити накала можно по ее сопротивлению. Измеряя ток, текущий по нити накала, и напряжение на концах нити, можно определить ее сопротивление. Зная зависимость сопротивления нити от температуры можно определить температуру нити. Напряжение U_а между катодом и анодом подбирают таким, чтобы ток накала достиг насыщения. Тогда измеряя анодный ток при различных токах накала, можно проверить формулу Ричардсона-Дэшмана и найти величину работы выхода. Если зафиксировать ток накала и изменять напряжение на аноде лампы, то, измеряя анодный ток можно установить его зависимость от величины анодного напряжения и проверить тем самым закон «трех вторых».

Дата добавления: 2014-11-29