Описание экспериментальной установки

Внешний вид установки показан на рисунке 3.

Рис.3. Внешний вид установки для проведения опытов Франка-Герца. Цифрами обозначены: 1-термостат с находящейся внутри исследуемой лампой; 2-термопара с индикатором; 3-стабилизированный источник постоянного тока; 4-источник питания исследуемой лампы; 5-двух координатный графопостроитель; 6-вольтметр; 7- ключ.

Эксплуатационные характеристики на используемые приборы приведены в комплекте технической документации, поставляемой фирмой-изготовителем (немецкая фирма РНYWE). Здесь подробнее остановимся на описании тех блоков установки, знание работы которых необходимо для осознанного проведения опытов.

1. Лампа Франка – Герца

Лампа Франка - Герца предназначена для определения уровней возбуждения атомов ртути в результате их столкновения с электронами.

Лампа, используемая в экспериментах, представляет собой триод с плоскими параллельными электродами: нагреваемый катод, покрытый окисью для усиления эмиссии электронов, ускоряющий электрод, выполненный в виде сетки, и собирающий электрод. Расстояние между катодом и сеткой значительно превышает длину свободного пробега электронов в парах ртути при используемых температурах для того, чтобы сделать вероятность взаимодействия максимально высокой. Расстояние же между сеткой и собирающим электродом (анодом) напротив, незначительно.

Первые максимумы на кривой зависимости тока от ускоряющего напряжения лучше всего наблюдать при низких температурах термостата. В основном, используются температуры около 165°С. Однако, в ряде случаев, лучшие экспериментальные результаты могут быть получены как при более низких (менее 150°С), так и при более высоких температурах (свыше 220°С). Нагрев лампы осуществляется для того, чтобы находящаяся в ней ртуть испарилась и образовался пар соответствующей плотности. Для нагрева лампа помещается в нагревательный шкаф (термостат).

2. Термостат

Нагревательный шкаф - термостат соединяется с сетью переменного напряжения 220V посредством шнура питания со штепсельной вилкой. И шнур, и вилка устойчивы к воздействию высоких температур.

ВНИМАНИЕ! Корпус термостата, ручка для его переноса, крепежные болты и соединительные гнезда на передней панели прибора сильно нагреваются при длительном пользовании. Во избежание ожогов не прикасайтесь к ним. Под термостат рекомендует поместить пластинку, предохраняющую поверхность рабочего стола от перегрева.

а)

б)

Рис.4. а - внешний вид термостата; б - термостат со снятым кожухом, внутри видна исследуемая лампа.

ВНИМАНИЕ! Подключение к источникам постоянного тока недопустимо.

Максимальная температура (порядка 180°С) достигается в течение 10 минут. В результате данного процесса, особенно при первых включениях, происходит испарение летучих веществ. Рекомендованной является температура 175°С.

ВНИМАНИЕ! Строго рекомендуется избегать вдыхания образующихся паров.

Температуру нагревательного шкафа можно регулировать, вращая ручку регулятора, расположенного сбоку. Поддержание заданной температуры происходит автоматически при помощи имеющегося внутри термостата биметаллического выключателя.

В том случае, если биметаллический выключатель не отключил нагреватель, когда температура превысила необходимую приблизительно на 5°С, ручку регулятора следует поворачивать против часовой стрелки до тех пор, пока биметаллический выключатель не отключит нагреватель (послышится звук щелчка). В случае необходимости регулировку необходимо проводить несколько раз, пока не будет достигнута нужная температура (приблизительно через 15 минут после начала нагревания). Погрешность поддержания температуры составляет ±15°С.

ВНИМАНИЕ! Снятие экспериментальных кривых рекомендуется производить при достигнутой необходимой температуре при выключенном термостате, т.к скачки напряжения при включении или выключении биметаллического выключателя могут исказить ход кривой.

ВНИМАНИЕ! Категорически запрещается использовать ртутный термометр.

3. Блок питания для исследуемой лампы.

Рис.5. Блок питания для исследуемой лампы.

На рисунке 5 показан внешний вид блока питания лампы с соединительными проводами. Ниже блока расположен переключатель, находящийся в положении «замкнуто».

Блок питания необходим для построения кривой Франка - Герца либо самопишущим прибором, либо с помощью системы интерфейса. Необходимое напряжение обеспечивается совместно с источником постоянного тока, внешний вид которого показан на рисунке 6. Все соединения, необходимые для обеспечения соответствующего электропитания, показаны на передней панели блока питания.

Вольтметр, используемый для контроля ускоряющего напряжения, имеет шкалу от 0 до 15V, программированную в отношении 5:1. Противодействующее напряжение от 0 до 3V можно измерить при помощи вольтметра, подключая его к выходу "U_S". Рекомендованным является напряжение 2V.

Когда переключатель стоит на отметке включено, ток анода Uа(t) меняется в соответствии со следующим законом:

Сначала увеличение происходит быстрыми темпами, но затем непрерывно замедляется в диапазоне от 0V до максимальной отметки 60V. Фактическое анодное напряжение измеряется при помощи вольтметра на выходе "U_а". Напряжение анода U_а/2, уменьшенное в пропорции 1:2, измеряется между гнёздами +(U_a) и - (U_a/2).

Когда внешний переключатель стоит на отметке выкл., встроенный конденсатор разрежается на 100Ω защитное сопротивление. Разряд конденсатора должен происходить перед началом каждого измерения.

Накал катода используемого триода производится непосредственно от выхода напряжения "6.3 V~", имеющегося на передней панели источника постоянного тока.

Измерение текущей силы анодного тока (приблизительно от 10^-10до 10^-9А) производится с использованием так называемого BNC гнезда, обозначаемого "I_s”. Для этого используется усилитель постоянного тока, который соединён последовательно с регистрирующим прибором или интерфейсом.

4. Стабилизированный источник питания

Внешний вид стабилизированного источника питания показан на рис 7. Блок представляет собой универсальный источник питания для диапазона напряжения до 600V. Он имеет 4 независимых, электрически изолированных друг от друга, выходов постоянного напряжения (на рисунке 8 обозначены 1, 2, 3, 5). Три из них (1, 2, 3) являются регулируемыми. Напряжение выставляется по отметкам на передней панели (рукоятки регулировки 9-11); осуществляется автоматическое ограничение максимального тока. Все выходы имеют защиту от короткого замыкания. Также имеется выход переменного напряжения 6.3V~(6), используемый для питания нити накала (катода).

Рис.6. Внешний вид источника стабилизированного питания.

Блок помещён в пластиковый корпус, устойчивый ко всякого рода воздействию. Выдвигающаяся ручка помещена на верхней поверхности блока. При необходимости, ее можно использовать для придания блоку наклонного положения. Четыре резиновых ножки обеспечивают устойчивость блока.

Блок включается в сеть переменного тока при помощи соединительного провода, вставленного в штепсель на задней стороне блока. Держатель плавкого предохранителя помещён на верхней части штепселя прибора. Для замены предохранителя, держатель можно раскрыть лишь при помощи отвёртки или похожего инструмента, когда провод отсоединён от сети переменного тока.

Включатель блока помещён рядом со штепселем прибора на задней стороне блока. Все другие функциональные элементы и ручки размещены на передней панели.

ВНИМАНИЕ! В случае срабатывания защиты от перегрузки (короткого замыкания), после устранения причины перегрузки для приведения источника в рабочее состояние, нажмите кнопку 7.

5. Усилитель постоянного тока

Внешний вид усилителя постоянного тока показан на рис. 7.

Усилитель постоянного тока (DС)-является универсальным инструментом для измерения очень малого постоянного тока, для измерения зарядов - в особенности во время экспериментов по электростатике, а также для квазистатического измерения постоянного напряжения.

Рис.7. Внешний вид усилителя постоянного тока.

Выбор двенадцати диапазонов измерения (на рис.8 цифрой 10 обозначена светодиодная матрица, используемая для индикации чувствительности прибора и рода измеряемой величины) осуществляется при помощи кнопок 2-4.

Светодиодная матрица указывает активный диапазон измерения. Напряжение на выходе, равное 10V, соответствует всей шкале прибора.

В качестве индикатора измеренной величины можно использовать любой вольтметр, самописец или компьютерную систему измерения (СОМЕХ, СОВRА, СЕNТ).

Усилитель включается в сеть переменного тока с помощью шнура, расположенного на задней стенке прибора. Там же находится и выключатель. Использование ручки переноса и замена предохранителя осуществляется так же, как и у источника питания.

Гнездо типа ВNС, обозначенное на рисунке 10 как 1.1, используется для включения усилителя в изучаемую цепь с целью измерения тока или заряда. Гнездо 1.2 - для измерения напряжения. Выбор режимов осуществляется кнопками 2-4. Гнездо «Земля» 5 используется для соединения с защитным заземлением. Выходные гнезда 6 используются для соединения с индикатором, вход которого предназначен для измерения постоянного напряжения до 10 В.

Кнопка 7 предназначена для инвертирования выходного сигнала. Кнопки 8 и 9 являются соответственно кнопками уменьшения и увеличения диапазона измерений во всех режимах работы. Для переключения необходимо кратковременное нажатие. При удерживании кнопки более 5 секунд происходит последовательное и непрерывное изменение диапазона.

Кнопка 11 используется в режиме измерения заряда для разрядки входа. После отпускания кнопки вход остается замкнут еще около 1 секунды.

ВНИМАНИЕ! При использовании прибора на чувствительных диапазонах измерений, становится заметным влияние статического электричества. Для его уменьшения следует использовать защитное заземление. Во время эксперимента следует избегать различных движений около прибора.

Дата добавления: 2015-06-29