Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни \" фізика \" \" визначення роботи виходу електрона\" icon

Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " " визначення роботи виходу електрона"




Скачати 145.15 Kb.
НазваМетодичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " " визначення роботи виходу електрона"
Дата27.09.2012
Розмір145.15 Kb.
ТипМетодичні вказівки


МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

КРЕМЕНЧУЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ МИХАЙЛА ОСТРОГРАДСЬКОГО





МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

ЩОДО ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНОЇ РОБОТИ

З НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ “ФІЗИКА

“ ВИЗНАЧЕННЯ РОБОТИ ВИХОДУ ЕЛЕКТРОНА”

(РОЗДІЛ “ЕЛЕКТРИКА І МАГНЕТИЗМ”)

ДЛЯ СТУДЕНТІВ ТЕХНІЧНИХ СПЕЦІАЛЬНОСТЕЙ

ЛЕННОЇ ТА ЗАОЧНОЇ ФОРМ НАВЧАННЯ





КРЕМЕНЧУК 2011


Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Визначення роботи виходу електрона” ( розділ “Електрика і магнетизм”) для студентів технічних спеціальностей денної та заочної форм навчання


Укладачі: викл. В.І. Скобель, старш. викл. Н.І. Мотрій, старш.

доц. О.В. Сукачов

Рецензент доц. Ю.Г. Мичковський


Кафедра фізики


Затверджено методичною радою КНУ імені Михайла Остроградського

Протокол № ______ від _____________

Заступник голови методичної ради ________________ доц. С.А. Сергієнко


ВСТУП


Дані методичні вказівки розроблено з метою допомогти студентам у комплексному засвоєні певної теми курсу фізики. З цією метою перш за все наведено досить розгорнуті теоретичні відомості з даної теми курсу. Ефективне засвоєння теоретичних відомостей неможливе без набуття практичних навичок набутих при розв’язанні задач. Для цього наведено достатню кількість прикладів розв’язання задач, а також задачі для самостійної роботи, що дозволяє студентам контролювати якість засвоєння учбового матеріалу.

Фізика є експериментальна наука. Тому невід’ємним елементом курсу фізики є лабораторний практикум. В методичних вказівках детально описано принципові основи того експериментального методу, який застосовується в даній роботі, на основі чого студент зможе зрозуміти зміст своїх дій при виконанні лабораторної роботи. Значна увага приділяється також правильній обробці результатів вимірювань.

Обробка даних сучасного фізичного експерименту базується на широкому використанні комп’ютерів. Тому в методичних вказівках наведено інструкцію з оформлення звіту про виконання лабораторної роботи із застосуванням табличного редактора Excel для Windows.


^ ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 2-11

ВИЗНАЧЕННЯ РОБОТИ ВИХОДУ ЕЛЕКТРОНА

ТЕМА:”ТЕРМОЕЛЕКТРОННА ЕМІСІЯ”

МЕТА: ввивчення вольт-амперної характеристики електронної лампи,

визначення сили струму насичення при різній температурі катода і

роботи виходу електрона з металу.

^ ТЕХНІЧНЕ ОБЛАДНАННЯ

Електронна лампа і панель до неї, амперметр, міліамперметр, два

вольтметри, реостат, джерело живлення ВУП-2, з'єднувальні

провідники.

^ КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Електрони провідності металу здійснюють неупорядкований тепловий рух. Деякі електрони при цьому покидають метал і утворюють електронну хмарку поблизу поверхні металу порядку декількох міжатомних відстаней (da~10-10–10-9 м). На поверхні металу внаслідок цього залишається надлишок позитивних іонів. Ці заряди й електронна хмарка утворюють подвійний електричний шар, електричне поле якого перешкоджає вильоту електронів з металу. Тому при звичайних температурах вільні електрони практично не покидають метал. Мінімальна робота, яка необхідна для видалення електрону з металу, називається роботою виходу електрона з металу Авих:

Авих=е (1)

де е - заряд електрона,

 - поверхнева різниця потенціалів.

Робота виходу звичайно виражається в електрон-вольтах: 1 еВ=1,610-19 Дж; в цьому випадку вона чисельно дорівнює поверхневій різниці потенціалів..

Якщо передати електронам енергію, необхідну для подолання у вакуумі поверхневої різниці потенціалів, то частина електронів зможе покинути метал, унаслідок чого спостерігається явище електронної емісії - вилітання електронів з поверхні металу. Явище вилітання електронів з поверхні розжарених металів називають термоелектронною емісією. Дослідити явище термоелектронної емісії можна на прикладі найпростішого електровакуумного приладу - діода (двохелектродної лампи), у якому потік електронiв рухається з поверхнi катода через вакуум у відкачаному балонi до другого електрода - анода. Катодом за звичай служить нитка з тугоплавкого металу (наприклад, з вольфраму). Позначення діоду на схемах i схема ввімкнення діода до електричного кола зображені на рис.1. Якщо підтримувати температуру розжареного катода сталою і змінювати напругу між анодом і катодом, то можна отримати залежність анодного струму Ia від напруги на анодi Ua - його вольт-амперну характеристику (рис.2). При збільшенні анодної напруги анодний струм зростає до певного максимального значення, яке називається струмом насичення. У цьому випадку практично всі електрони, що вилітають з поверхнi розжареного катода, досягають анода, тому збільшення анодної напруги не може призвести до збільшення термоелектронного струму на анод. Отже, струм насичення характеризує емісійну здатність матеріалу катода. Струм насичення визначають за формулою Річардсона-Дешмана:

Iнас = С S T 2 exp(-Aвих/kT) (2)

де Aвих - робота виходу електрона з металу,

Т - термодинамiчна температура катода,

k - cтала Больцмана,

С - емісійна стала (різна для різних металів),

S - площа поверхні катода.

Робота виходу залежить від хімічної природи металів і від стану їх поверхні й складає величину порядку кiлькох електрон-вольт. Зменшення роботи виходу призводить до стрімкого збільшення струму насичення. Тому застосовуються оксиднi катоди (катоди, покриті шаром окису лужноземельного металу, наприклад, оксидом барію), робота виходу яких становить 1-1,5 еВ. Кожній температурі катода відповідає свій струм насичення. Із збільшенням температури катода зростає і струм насичення. При Uа=0 спостерігається невеликий анодний струм,





тому що певна кількість найбiльш швидких електронів, які вилiтають з розжареного катода, мають достатню енергію, щоб подолати поверхневу різницю потенцiалiв і досягти анода за вiдсутнiстю електричного поля між катодом і анодом.

^ Метод вимірювання

Робота виходу електрона визначається на основі формули (1). Запишемо цю формулу для двох струмів насичення I1 i I2, які відповідають двом різним температурам катода T1 i T2.

I1 = СS T1 2exp(-Aвих/kT1)

I2 = СST22exp(-Aвих/kT2)

Тоді, після ділення одного виразу на другий і логарифмування, отримаємо:



або

. (3)

Тут врахований коефіцієнт k/е=8,6310-5 для визначення роботи виходу в електрон-вольтах, де k=1,3810-23 Дж/К – cтала Больцмана, е=1,610-19 Кл – заряд електрона.

Для визначення роботи виходу з формули (3) необхідно знати два значення струму насичення (I1,I2) і відповідні температури нитки розжарення катода (T2,T1) при сталій величині анодної напруги. Анодний струм насичення визначається з вольт-амперної характеристики (рис.2).

Температуру розжарення катода можна знайти, використавши залежність опору від температури:

(4)

де Rtопір катода при температурі tC,

R0опір катода при t=0C,

 – температурний коефіцієнт опору.

Звідси, враховуючи, що T[K]= tC+273, отримуємо:

. (5)

Опір Rt можна визначити із закону Ома, вимірявши напругу на катоді й струм розжарення:

(6)

Для вольфраму температурний коефіцієнт опору: =4,810-3 K-1. Опір нитки розжарення катода кенотрона 6Ц4П при температурі t=0C: R0=1,30 Ом.

Порядок виконання роботи

  1. Перевірити електричні схеми в колі анода і катода електронної лампи згідно з рис.1.

  2. У присутності викладача увімкнути джерело живлення ВУП-2 і ввести за допомогою реостата R напругу розжарення Uр1=2,6 В (напруги розжарення Uн1, Uн2, Uн3 вказує викладач).

  3. Почекавши 2-3 хвилини до встановлення стаціонарного режиму в колі після прогрівання катода, виміряти і записати до табл. 1 значення напруги розжарення Uр1 і струму розжарення Iр1 для першого дослiду.

  4. Регулюючи анодну напругу на виході джерела живлення ВУП-2 (0-100 В) вимірюють вольт-амперну характеристику: залежність анодного струму Iа від напруги Uа між анодом і катодом при заданiй напрузі розжарення Uр1 =2,6 В. Значення анодної напруги беруть, починаючи з нуля через кожні 5-10 В, збільшуючи його доти, поки не перестане збільшуватися анодний струм (приблизно до 50 В). Результати вимірювань заносять до табл.18.

  5. Зменшують напругу розжарення Uр2=2,4 В і через 2-3 хвилини вимірюють і записують до табл. 2 значення UР2 i IР2 для другого досліду, після чого вимiрюють вольт-амперну характеристику при цiй напрузі розжарення. Результати цих вимірювань заносять до табл. 2.

  6. Зменшують напругу розжарення до UР3=2,2 В і проводять ті самі вимiри: вимірюють відповідний струм розжарення IР3, записують результати вимірювань до табл. 2 і вимірюють відповідну вольт-амперну характеристику, заносять результати вимірювань до табл. 1.

  7. За даними табл. 1 на одному графіку будують вольт-ампернi характеристики Iа (Ua) для трьох напруг розжарення (2,6 В, 2,4 В і 2,2 В). Масштаб по осi Ох (Ua): 10 В – 20 мм, по осі Оy (Ia): 10 мА – 50 мм (масштаб може бути змінений залежно від лампи, що використовується).

  8. З графікiв вольт-амперних характеристик i з табл. 1 при однакових значеннях анодної напруги (~40–50 В) визначають і заносять в табл. 2 значення анодних струмів насичення (I1, I2, I3) для вiдповiдних величин напруг розжарення катода.

  9. За формулою (6) для кожної пари значень струму і напруги розжарення розраховують опори катода, а за формулою (5) обчислюють відповідні температури нитки розжарення i записують результати обчислень до табл.2.

  10. З формули (3) визначають роботу виходу електрона з катода, взявши попарно значення струму насичення I1 i I2, I2 i I3, I3 i I1 та відповідні температури T1 i T2, T1 i T3, T3 i T1. Використавши обчисленi значення роботи виходу, розраховують середнє значення роботи виходу Асер.

Таблиця 1

№ пор

Ua(B)

0

5

10

20

30

40

50

1

Ia(мA)






















2

Ia(мA)






















3

Ia(мA)

























Таблиця 2



пор

Напруга розжарення UР (B)

Струм

розжарення

IР (A)

Анодний струм насичення

Ia (мA)

Опір нитки розжарення

Rt (Ом)

Температура катода

Тк (К)

Робота виходу

електрона

А (еВ)

1



















2



















3



















Асер =


Зміст звіту

Назва та номер лабораторної роботи, рис. 1, формули (4), (5), (6), таблиці 1 і 2 з результатами вимірювань, вольт-амперні характеристики діода.

Контрольні питання

  1. Що називається роботою виходу електрона з металу? Чим вона зумовлена?

  2. Від чого залежить робота виходу?

  3. Які існують різновиди емісійних явищ?

  4. Що таке термоелектронна емісія?

  5. Що таке вольт-амперна характеристика вакуумного діода? Пояснiть її хід.

  6. Від чого залежить струм насичення вакуумного діода? Яким чином можна його збільшити?

  7. Як залежить опір металів від температури згідно з класичною теорією електропровідності? У чому відмінність від дослідної формули?


^ ПРИКЛАДИ РОЗВ’ЗАННЯ ЗАДАЧ

Приклад №11.1

Робота виходу електрона з вольфраму становить 4,5 еВ. У скільки разів збільшиться струм насичення при підвищенні температури катода електронної лампи – діода від 2000 К до 2200 К?


Авих=4,5 еВ Розв’язання:

Т1=2000 К Запишемо формулу Річардсона-Дешмана для двох стру-

Т2=2200 К мів насичення I1 i I2 які відповідають двом різним темпера-

турам катода T1 i T2.

Визначити: I1 = СS T1 2exp(-Aвих/kT1),

I2 = СST22exp(-Aвих/kT2).

де Aвих – робота виходу електрона з металу,

k=1,3810-23 Дж/К - cтала Больцмана,

С – емісійна стала (різна для різних металів),

S – площа поверхні катода.

Пiсля ділення одного виразу на другий отримаємо:

.

Враховуючи, що 1 еВ=1,610-19 Дж, одержимо:

13,7.


Приклад №11.2

Робота виходу електрона з цезію дорівнює 2,0 еВ. Визначте швидкість електрона, який вилетiв з металу, якщо його енергія в металі становила10-18 Дж.




Авых=2.0 еВ Розв’язання.

We=10-18 Дж Швидкий електрон може вилетіти з металу, якщо його

енергія We більша, ніж робота виходу Авих.

Визначити: v-? Згідно із законом збереження енергії: We=Aвих+Wк,


де – кінетична енергія електрона, який вилетів з металу.

Звідси отримуємо:

; ;

=1,22106 м/с.

ЗАДАЧІ

    1. Струм насичення при підвищенні температури катода діода від Т1=1700 К до Т2=1900 К збільшився в n=15 разів. Визначити роботу виходу електрона з матеріалу катода.

    2. Визначити робочу температуру вольфрамової нитки розжарення електролампи, якщо після того, як її увімкнули в мережу з напругою U=120 В, сила струму в ній склала величину I=0,4 А. Опір нитки при t0=0С дорівнює R0=30 Ом, температурний коефіцієнт опору для вольфраму =4,810-3 K-1.

11.3 Опір нитки електричної лампи, яка працює при напрузі 220 В, у розжареному стані в n=15 разів більший, ніж при температурі t1=10C. Знайти опір лампи при цій температурі й температурний коефіцієнт опору, якщо в розжареному стані температура нитки t2=2500C.

    1. Мідний і графітовий стрижні однакової товщини з’єднали послідовно. При якому співвідношенні їхніх довжин опір цієї системи не буде залежати від температури? Температурний коефіцієнт опору міді 1=4,310-3 К-1, графіту 2= -0,510-3 К-1.

    2. Визначити кінетичну енергію електрона в металі, якщо робота виходу елекрона з металу дорівнює Авих=2,5 еВ, і він вилетів зі швидкістю V=1106 м/с.



^ СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Трофимова Т. И. Курс физики.-М.:Высшая школа, 1999 – 542 с.

2. Савельєв И.В. Курс общей физики в 3 томах: - М.: Наука, 1978. - Т.2- 345с

3. Детлаф А.А. Курс фізики у 2 томах. - М.: Вищ.школа, 1977. - Т.2- 431с.

4. Кухлінг Х. Довідник з фізики. - М.: Наука, 1982- 348с.

Додаток


Інструкція щодо оформлення звіту

про виконання лабораторної роботи з фізики

із застосуванням табличного редактора Excel для Windows


  1. Після виконання лабораторної роботи і вивчення інструкції щодо оформлення звіту в присутності викладача або лаборанта ввімкнути персональний комп’ютер.

  2. На диску "D", у папці "Студенти" знайти папку своєї групи, (наприклад, шляхом D:\Студент\СУ-07-1), в цій папці знайти файл табличного редактора Excel із зразками звітів* (наприклад, "Зразок лаб") і відкрити його за допомогою команди „Открыть” в меню „Файл” або за допомогою комбінації клавіш „Ctrl+O(лат.)”.

  3. У книзі (файлі) "Зразок лаб" у вікні редактора Excel знайти ярлик відповідного листка (наприклад, "Лаб 2-10") і перейти на цей листок.

  4. Внести в комірки таблиць, які виділені кольоровою заливкою, результати вимірів.

  5. У результаті відбудеться обчислення даних за відповідними формулами і побудова відповідних графіків.

  6. Внизу сторінки листа заповнити комірки: "номер групи", "П.І.П", "дата", які виділені кольоровою заливкою. Для цього потрібно виділити відповідну комірку і після завершення уведення даних натиснути клавішу „Tab” або „Enter”.

  7. Після цього в меню „Файл” виконати команду „Сoхранить как.”, увести ім'я файла (наприклад, "Іванов-лаб") і зберегти файл у відповідній папці групи (наприклад, у папці "СУ-07-1" шляхом D:\Студент\СУ-07-1\Іванов-лаб).

  8. За необхідності увімкнути принтер, вставити в нього аркуш паперу і роздрукувати сторінку з результатами вимірювань і графіком за допомогою команди 'Печать..' в меню 'Файл'.

  9. Завершити роботу в редакторі Excel через меню „Файл”, виконавши команду „Выход”, або за допомогою комбінації клавіш „Alt+F4”.

  10. Вимкнути комп'ютер через меню „ПУСК”, „Завершение работы”, „Выключить компьютер”, „Да”.

*Примітка: в подальшій роботі відкривати файл під своїм прізвищем.


Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Визначення роботи виходу електрона “ (розділ “Електрика і магнетизм“) для студентів технічних спеціальностей денної та заочної форм навчання


Укладачі: старш. викл. В.І. Скобель, старш. викл. Н.І. Мотрій,

доц. О.В. Сукачов


Відповідальний за випуск зав. кафедри фізики проф. О.І. Єлізаров


Підп. до др. _________ . Формат 60x84 1/16. Папір тип. Друк ризографія.

Ум. друк. арк.__1__. Наклад _ 50 _ прим. Зам. № . Безкоштовно.


Видавничий відділ КНУ

39614, м. Кременчук, вул. Першотравнева, 20



Схожі:

Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни \" фізика \" \" визначення роботи виходу електрона\" iconМетодичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " "визначення ємності конденсатора мостовою схемою"
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика “ “Визначення ємності конденсатора мостовою...
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни \" фізика \" \" визначення роботи виходу електрона\" iconМетодичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " "визначення показника заломлення рідини рефрактометром"
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Визначення показника заломлення рідини рефрактометром”...
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни \" фізика \" \" визначення роботи виходу електрона\" iconМетодичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " "визначення радіуса кривини лінзи за кільцями ньютона"
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Визначення радіуса кривини лінзи за кільцями...
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни \" фізика \" \" визначення роботи виходу електрона\" iconМетодичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " "визначення кута повороту площини поляризації світла"
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Визначення кута повороту площини поляризації...
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни \" фізика \" \" визначення роботи виходу електрона\" iconМіністерство освіти І науки, молоді та спорту україни
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Визначення питомого заряду електрона методом...
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни \" фізика \" \" визначення роботи виходу електрона\" iconМетодичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " "вивчення електричних властивостей сегнетоелектриків"
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Вивчення електричних властивостей сегнетоелектриків...
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни \" фізика \" \" визначення роботи виходу електрона\" iconМетодичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " "вивчення магнітних властивостей феромагнетиків"
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Вивчення магнітних властивостей феромагнетиків”...
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни \" фізика \" \" визначення роботи виходу електрона\" iconМетодичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " "дослідження електростатичних полів методом зонда"
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Дослідження електростатичних полів методом...
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни \" фізика \" \" визначення роботи виходу електрона\" iconМетодичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " " дослідження дифракції світла на вузькій щілині "
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Дослідження дифракції світла на вузькій щілині”...
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни \" фізика \" \" визначення роботи виходу електрона\" iconРоботи
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Визначення періоду дифракційної ґратки” (розділ...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи