1995/1996	LABORATORIUM Z FIZYKI
ĆW. NR 63	TEMAT: PROCESY FIZYCZNE W LAMPACH ELEKTRONOWYCH
WYDZ. ELEKT KIER. E.L. i T. GRUPA 2. 1. 2.	NAZWISKO I IMIĘ : HARMUSZKIEWICZ ADAM
DATA WYKON.	OCENA		DATA ZALICZ.	PODPIS
20.11.1995	T
	S

1. ZASADA POMIARU.

Celem ćwiczenia jest zbadanie zależności natężenia prądu emisji termoelektrycznej od temperatury katody i wyznaczenie pracy wyjścia elektronu z metalu metodą prostych Richardsona.

Gęstość prądu nasycenia jn - wielkość wyrażająca prąd termoelektryczny z jednostki powierzchni katody - wzrasta ze wzrostem jej temperatury.

Wartość jn wyraża wzór Richardsona - Duchmana:

gdzie:

jn - gęstość prądu nasycenia

T - temperatura

Ww - praca wyjścia

k - stała Boltzmana

W interesujących nas zakresach temperatur, decydujący wpływ na wartość prądu nasycenia ma wykładnik potęgowy. Logarytmujac powyższy wzór otrzymujemy:

Wykresem tej zależności w układzie współrzędnych (lnjn, 1/T) jest prosta Richardsona:

Wyrażenie jest współczynnikiem kierunkowym prostej. Z wykresu i przekształcając wyżej przedstawiony wzór możemy wyznaczyć pracę wyjścia Ww:

Ww = k tg

Temperaturę katody można wyznaczyć w oparciu o prawo Stefana - Boltzmana.

Moc wypromieniowywana przez jednostkę powierzchni katody o temperaturze T (i jednocześnie moc żarzenia na jednostkę powierzchni katody - zużywana przez katodę na promieniowanie) wynosi:

= 5,67*10-12 W/cm2K4

= 0,5 (emisyjność całkowita lampy)

Stąd po przekształceniu otrzymamy wzór na temperaturę:

2. SCHEMAT POMIAROWY

3. OCENA DOKŁADNOŚCI POJEDYNCZYCH POMIARÓW

Zasilacz anodowy ZS 1

Zasilacz katodowy

Miliamperomierz klasa 0.5, zakres 7,5 / 15 / 30 mA

Amperomierz cyfrowy METEX błąd wzgl. 1,2% + wartość ostatniej cyfry

Woltomierz klasa 0.5 zakres 3V

4. TABELE POMIAROWE

Lp.					Ua = 150 V
	Iż	ΔIż		Uż	ΔUż		In	ΔIn
	A	A	%	V	V	%	mA	mA	%
1	0,53	0,007	1,39	1,10	0,015	1,36	0,1	0,04	37,50
2	0,55	0,008	1,38	1,25	0,015	1,20	0,2	0,04	18,75
3	0,57	0,008	1,38	1,35	0,015	1,11	0,4	0,04	9,38
4	0,59	0,008	1,37	1,45	0,015	1,03	0,9	0,04	4,17
5	0,61	0,008	1,36	1,55	0,015	0,97	1,6	0,04	2,34
6	0,63	0,009	1,36	1,60	0,015	0,94	2,8	0,04	1,34
7	0,65	0,009	1,35	1,70	0,015	0,88	4,7	0,04	0,80
8	0,67	0,009	1,35	1,80	0,015	0,83	7,3	0,04	0,51
9	0,69	0,009	1,34	1,90	0,015	0,79	11,3	0,08	0,66
10	0,71	0,010	1,34	2,05	0,015	0,73	17,0	0,15	0,88

Lp.	Pż	ΔPż		T	1/T	Δ1/T		jn	lnjn	Δlnjn
	[W]	[W]	%	[K]	[1/K]	[1/K]	%	[mA/cm^2]			%
1	0,583	0,016	2,75	673	0,00148	0,000010	0,69	0,1	-2,30	0,9	37,50
2	0,688	0,018	2,58	701	0,00143	0,000009	0,65	0,2	-1,61	0,3	18,75
3	0,770	0,019	2,49	721	0,00139	0,000009	0,62	0,4	-0,92	0,1	9,38
4	0,856	0,021	2,40	741	0,00135	0,000008	0,60	0,9	-0,11	0,01	4,17
5	0,946	0,022	2,33	759	0,00132	0,000008	0,58	1,6	0,47	0,01	2,34
6	1,008	0,023	2,30	772	0,00130	0,000007	0,57	2,8	1,03	0,01	1,34
7	1,105	0,025	2,24	790	0,00127	0,000007	0,56	4,7	1,55	0,01	0,80
8	1,206	0,026	2,18	807	0,00124	0,000007	0,55	7,3	1,99	0,01	0,51
9	1,311	0,028	2,13	824	0,00121	0,000006	0,53	11,3	2,42	0,02	0,66
10	1,456	0,030	2,07	846	0,00118	0,000006	0,52	17,0	2,83	0,02	0,88

5. PRZYKŁADOWE OBLICZENIA

Obliczenia dla 1 pomiaru

Iż = 0,53 A , Uż = 1,1 V , In = 0,1 mA

Moc żarzenia

Sk=1 cm2

Temperatura katody

Gęstość prądu

Praca wyjścia elektronu z katody

W = kB * tgα

Z tabeli 2 odczytuję wartości ln jn i 1/T potrzebne do określenia kąta nachylenia prostej na wykresie ln jn = f ( 1/T ):

, i tak:

tgα₁ = 13667 K tgα₂ = 14333 K tgα₃ = 14667 K

tgα₄ = 17333 K tgα₅ = 28000 K tgα₆ = 19333 K

tgα₇ = 20250 K tgα₈ = 17250 K tgα₉ = 13800 K

Średnia wartość tgα =17626 K.

W = k*tgα

k = 1,38*10^-23 J*K^-1

W = 1,38*10^-23 J*K^-1 * 17626 K ≈ 24,32*10^-20J

6. RACHUNEK BŁĘDÓW

Błąd pomiaru prądu METEX-em

ΔI_ż = 1,2% * Iż + 0,001A

ΔI_ż = 1,2% * 0,53 + 0,001= 0,007 A

Błąd pomiaru napięcia żarzenia

Błąd pomiaru prądu anodowego

Błąd pomiaru mocy żarzenia metodą różniczki zupełnej

Błąd wyrażenia 1/T

Błąd ln jn

Błąd nachylenia prostej na wykresie ln jn = f ( 1/T ) - Δtgα:

Δtgα_i = wartość średnia tgα - tgα_i

Δtgα = ±3268

Błąd ΔW

ΔW = 4,5*10^-20J

7. ZESTAWIENIE WYNIKÓW

Dla 1 pomiaru

Iż = ( 0,53 ± 0,007 ) A , Uż = ( 1,1 ± 0,015 ) V , In = ( 0,1 ± 0,04 ) mA

Moc żarzenia

P_ż = ( 0,583 ± 0,016 ) W

Temperatura katody

T = 673,4 K

Gęstość prądu

j_n = 0,1 mA / cm²

ln j_n = ( - 2,3 ± 0,9 ) mA / cm²

Praca wyjścia elektronu z katody

W = ( 24,32 ± 4,45 ) * 10^-20 J

1J = 6,242*1018eV

W = ( 1,52 ± 0,28 ) eV

8. WNIOSKI UWAGI

Zarówno charakterystyka j_n = f(I_ż), jak i j_n = f(P_ż) przedstawiają kształtem parabolę (proporcjonalność mocy do prądu). Błedy j_n są bardzo małe, ponieważ zależą wyłącznie od niedokładności miliamperomierza (kl.0,5) - wartość S_k jest stała. Duża dokładność miernika powoduje także małe błędy Δlnj_n. Liniowa zależność lnj_n = f(1/T) pokazuje nam wartość pracy wyjścia:

W = (2,43 ± 0,45)*10^-19J = (1,52 ± 0,28) eV

---