* ĆWICZENIE NR 49 ZJAWISKO TERMOEMISJI ELEKTRONÓW I. Zestaw przyrzÄ…dów 1. Zasilacz ZT-980-1 do zasilania katody lampy wolframowej 2. Zasilacz ZT-980-4 do zasilania obwodu anodowego lampy z katodÄ… wolframowÄ… 3. Zasilacz LIF-04-222-2 do żarzenia katody lampy tlenkowej 4. Miliamperomierz (miernik typ U 722A) do pomiaru natężenia prÄ…du anodowego 5. Woltomierz Metex M.-3800 do pomiaru napiÄ™cia żarzenia 6. Woltomierz Metex M.-3800 do pomiaru napiÄ™cia anodowego 7. Miliamperomierz LM-3 do pomiaru natężenia prÄ…du żarzenia 8. Lampa z katodÄ… tlenkowÄ… 6H6 9. Lampa z katodÄ… wolframowÄ… 5C3S II. Cel ćwiczenia 1. Dioda wolframowa: a) wyznaczenie temperatury katody b) wyznaczenie pracy wyjÅ›cia elektronów z metalu c) pomiar charakterystyki prÄ…dowo-napiÄ™ciowej Ia = f (Ua) d) sprawdzenie prawa Langmuira 2. Dioda tlenkowa: a) pomiar charakterystyki prÄ…dowo-napiÄ™ciowej Ia = f (Ua) b) sprawdzenie prawa Langmuira c) wyznaczenie temperatury katody d) wyznaczenie napiÄ™cia kontaktowego 1 * DIODA Z KATOD WOLFRAMOW III. Przebieg pomiarów 1. PoÅ‚Ä…czyć obwód wg schematu przedstawionego na rys. 1. mA mA + + Zasilacz Zasilacz ZT-980-4 ZT-980-1 _ _ V V Rys.1 2. Wyznaczenie temperatury katody i pracy wyjÅ›cia elektronów z metalu: a) za pomocÄ… zasilacza ZT-980-4 ustawić napiÄ™cie anodowe Ua = const z zakresu od 80V do 100V, w którym wystÄ™puje prÄ…d nasycenia Ia = Is; b) wyznaczyć zależność Ia = f (T) prÄ…du anodowego Ia od temperatury T katody, czyli od różnych mocy grzania katody; w tym celu za pomocÄ… zasilacza ZT-980-1 zmniejszać napiÄ™cie żarzenia Uż od 2,1V do 0,7V co 0,1V i zanotować wartoÅ›ci prÄ…du Ia oraz wartoÅ›ci Uż i Iż. 3. Badania charakterystyki prÄ…dowo-napiÄ™ciowej Ia = f (Ua): a) ustalić okreÅ›lonÄ… moc żarzenia katody; w tym celu przy pomocy zasilacza ZT-980-1 ustalić staÅ‚e napiÄ™cie żarzenia Uż katody z przedziaÅ‚u 1,1 ÷ 2,1 V (np. 1,9 V); zanotować wartość Uż i odpowiadajÄ…cÄ… mu wartość natężenia prÄ…du żarzenia Iż UWAGA ! Uż max = 2,4 V i nie wolno przekraczać tej wartoÅ›ci b) zdjąć charakterystykÄ™ anodowÄ… lampy Ia = f(Ua) przy Uż = const; napiÄ™cie anodowe Ua zmieniać za pomocÄ… zasilacza ZT-980-4 nastÄ™pujÄ…co: w zakresie 0 ÷ 10 V co 1 V w zakresie 10 ÷ 100 V co 10 V c) sprawdzić, w jakim zakresie wartoÅ›ci Ua prÄ…d anodowy Ia osiÄ…ga nasycenie ( Ia = Is dla Ua = Us ) 2 * IV. Opracowanie wyników pomiarów 1. Wyznaczyć temperaturÄ™ pracy katody (tabela 1) W oparciu o wyniki pomiarów natężenia prÄ…du anodowego Ia od temperatury katody T, a wiÄ™c od mocy grzania katody Mż = Uż Å" Iż znalezć wartość RT Uż wzglÄ™dnego oporu katody = dla zmierzonych wartoÅ›ci Uż i Iż Ro IżRo przyjmujÄ…c wartość Ro = 0,340 Ä… 0,005 &!. RT Z zaÅ‚Ä…czonego do instrukcji wykresu = f (T) lub na podstawie równania Ro RT Ro = 1+ Ä…(T - To) + ²(T - To)2 + Å‚ (T - To)3 1 gdzie: Ä… = 0,00460 Ä… 0,00003 [ ] K 1 ² = 6,113 Å" 10-7 Ä… 3,1122 Å" 10-8 [ ] K2 1 Å‚ = -5,9197 Å" 10-11 Ä…8,3558 Å" 10-12 [ ] K3 To = 293 [K] okreÅ›lić temperatury katody odpowiadajÄ…ce danym wartoÅ›ciom Uż i Iż 2. Wyznaczyć pracÄ™ wyjÅ›cia elektronów z metalu (tabela 1) a) wykorzystujÄ…c zmierzone wartoÅ›ci Ia = Is odpowiadajÄ…ce temperaturom T Ia 1 1 okreÅ›lonym powyżej, sporzÄ…dzić wykres ln = f = a + b ( ) ( ) T T T2 b) wyznaczyć pracÄ™ wyjÅ›cia Ćk elektronów z katody i jej niepewność wykorzystujÄ…c zależność Ćk = a Å" k gdzie: k = 1,38 Å" 10-23 J/K - staÅ‚a Boltzmanna Ia 1 a - współczynnik kierunkowy prostej ln = f ; ( ) ( ) T T2 wartość pracy wyjÅ›cia podać w [J] i [eV] 3. WykreÅ›lić charakterystykÄ™ anodowÄ… lampy Ia = f(Ua); zaznaczyć na niej obszary pracy diody: obszar prÄ…dów ograniczonych Å‚adunkiem przestrzennym (II) i obszar prÄ…du nasycenia (III); zaznaczyć napiÄ™cie Ua = Us , przy którym zaczyna siÄ™ prÄ…d nasycenia Ia = Is (tabela 2) 4. Sprawdzić prawo Langmuira Ia = cUan ; w tym celu sporzÄ…dzić wykres ln Ia = f (ln Ua) dla II obszaru prÄ…dów; okreÅ›lajÄ…c współczynnik kierunkowy prostej otrzymamy wartość współczynnika potÄ™gowego n (tabela 2) 3 * V. Tabele pomiarowe Tabela 1. Ua = "Ua = RT RT Ia Ia "ĆK 1 1 " " ln " ln Ia Uż Iż Ro Ro Ro T "Ia "Uż "Iż "Ro "T T T ĆK T2 T2 a "a Ćk "ĆK 1 1 [A] [A] [V] [V] [A] [A] [K] [K] [K] [K] [J] [J] [%] [&!] [&!] [ ] [ ] K K Tabela 2. Uż Iż Ua Ia ln Ua ln Ia n "Uż "Iż "Ua "Ia "ln Ua "ln Ia "n [V] [V] [A] [A] [V] [V] [A] [A] 4 * DIODA Z KATOD TLENKOW III. Przebieg pomiarów 1. PoÅ‚Ä…czyć obwód wg schematu przedstawionego na rys. 2 mA V _ + ~Uż Zasilacz Ua Rys. 2 2. Zdjąć charakterystykÄ™ anodowÄ… diody Ia = f(Ua) przy nominalnym napiÄ™ciu żarzenia Uż = 6,3 V; pomiary przeprowadzić w zakresie napięć anodowych ujemnych (Ua < 0), dodatnich (Ua > 0) oraz dla Ua = 0; dla ujemnych napięć anodowych pomiary prowadzić w zakresie 1 ÷ 0 V co 0,1 V , a w zakresie dodatnich napięć w zakresie 0 ÷ 3 V co 0,2 V. UWAGA!!! W zakresie dodatnich napięć anodowych nie wolno przekraczać dopuszczalnej wartoÅ›ci natężenia prÄ…du anodowego Ia max = 30 mA. IV. Opracowanie wyników pomiarów 1. WykreÅ›lić charakterystykÄ™ prÄ…dowo-napiÄ™ciowÄ… diody Ia = f(Ua) ; na wykresie zaznaczyć obszary pracy diody: obszar prÄ…du poczÄ…tkowego (I), obszar prÄ…dów ograniczonych Å‚adunkiem przestrzennym (II) i obszar prÄ…du nasycenia (III). 2. SporzÄ…dzić wykres ln Ia = f (ln Ua) dla II obszaru prÄ…dów w celu sprawdzenia prawa Langmuira; wykorzystujÄ…c metodÄ™ regresji liniowej wyznaczyć wykÅ‚adnik potÄ™gowy n w prawie Langmuira Ia = cÅ"Uan . 3. Wyznaczyć temperaturÄ™ katody a) na podstawie wyników pomiarów Ua i Ia dla I obszaru prÄ…dów sporzÄ…dzić wykres ln Ia = f (Ua) = aUa + b 5 * b) wykorzystujÄ…c metodÄ™ regresji liniowej wyznaczyć temperaturÄ™ katody oraz jej niepewność ze wzoru: e T = kÅ"a gdzie: e = 1,6 Å" 10-19 C Å‚adunek elementarny k = 1,38 Å" 10-23 J/K - staÅ‚Ä… Boltzmanna a współczynnik kierunkowy prostej ln Ia = f(Ua) 4. Wyznaczyć napiÄ™cie kontaktowe UK i jego niepewność ze wzoru (0) kT Ia UK = ln e Is wykorzystujÄ…c pomiar tzw. prÄ…du zerowego Ia (0), tzn. prÄ…du, który pÅ‚ynie przez diodÄ™, jeÅ›li napiÄ™cie anodowe Ua = 0. Przyjąć prÄ…d nasycenia Is = 200 mA, T jest temperaturÄ… katody wyznaczonÄ… w poprzednim punkcie. V. Tabela pomiarowa Uż = Uż = "T "UK Ua Ia lnUa lnIa n a T UK "Ua "Ia "lnUa "lnIa "n "a "T "UK UK T 1 1 îÅ‚ Å‚Å‚ [V] [V] [A] [A] [K] [K] [%] [V] [V] [%] [ ] ïÅ‚ śł ðÅ‚ V ûÅ‚ V 6 RT/Ro T 18,00 [K] Zależność wzglÄ™dnej opornoÅ›ci katody wolframowej od temperatury 250 0,80 17,50 300 1,03 RT/R = 1 + Ä…(T-To) + ²(T-To)2 + Å‚(T-To)3 o 350 1,26 17,00 Ä… = 0,0046 Ä… 0,00003 [1/š] 400 1,50 450 1,74 16,50 ² = 6,113 Å" 10-7 Ä… 3,1122 Å" 10-8 [1/š2] 500 1,98 Å‚ = -5,9197 Å" 10-11 Ä… 8,3558 Å" 10-12 [1/š3] 16,00 550 2,22 ńż = 293 [š] 600 2,47 15,50 650 2,72 700 2,97 15,00 750 3,22 800 3,48 14,50 850 3,74 900 4,00 14,00 950 4,27 1000 4,54 13,50 1050 4,81 1100 5,08 13,00 1150 5,35 1200 5,63 12,50 1250 5,91 12,00 1300 6,19 1350 6,48 11,50 1400 6,76 1450 7,05 11,00 1500 7,34 1550 7,63 10,50 1600 7,92 1650 8,22 10,00 1700 8,52 1750 8,82 9,50 1800 9,12 1850 9,42 9,00 1900 9,73 1950 10,03 8,50 2000 10,34 8,00 2050 10,65 2100 10,96 7,50 2150 11,27 2200 11,58 7,00 2250 11,90 2300 12,22 6,50 2350 12,53 2400 12,85 6,00 2450 13,17 2500 13,49 5,50 2550 13,82 2600 14,14 5,00 2650 14,46 2700 14,79 4,50 2750 15,11 4,00 2800 15,44 2850 15,77 3,50 2900 16,10 2950 16,43 3,00 3000 16,76 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 T [K] 0,00 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 7 R T /Ro 8