1998/99 |
LABORATORIUM Z FIZYKI |
|||
Ćwiczenie nr 63 |
Procesy fizyczne w lampach elektronowych |
|||
ELEKTRONIKA |
Sylwia Abrusewicz |
|||
Wykonane dnia: |
|
Data |
Ocena |
Podpis |
18.04.1999 |
T |
|
|
|
|
S |
|
|
|
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:
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. Logarytmując wzór zamieszczony wyżej otrzymujemy:
Wykresem tej zależności w układzie współrzędnych (lnjn, 1/T) jest prosta Richardsona:
Wyrażenie
jest współczynnikiem kierunkowym prostej. Z wykresu i w oparciu o wzór na ln jn można więc 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
ε = 0,5 (emisyjność całkowita lampy)
Stąd temperatura wynosi:
Układ pomiarowy: (1) IN; (2) UŻ; (3) IŻ
Ocena dokładności pojedynczych pomiarów:
amperomierz (Iż) - miernik uniwersalny METEX:
- zakres: 2 A
- sposób obliczania błędów pomiarowych:
0,8% wartości wskazywanej + wartość ostatniej cyfry
miliamperomierz (In):
- klasa dokładności: 0,5
- zakresy: 7,5 mA; 15 mA; 30 mA
woltomierz (Uż):
- klasa dokładności: 0,5
- zakres: 7,5
Tabele wyników:
tabela pomiarowa:
Lp. |
Ua = 150 [V] |
||
|
IŻ + ΔIŻ |
UŻ + ΔUŻ |
IN + ΔIN |
|
[A] |
[V] |
[mA] |
1. |
0,54 ± 0,01 |
1,20 ± 0,04 |
0,15 ± 0,04 |
2. |
0,56 ± 0,01 |
1,30 ± 0,04 |
0,35 ± 0,04 |
3. |
0,58 ± 0,01 |
1,35 ± 0,04 |
0,70 ± 0,04 |
4. |
0,60 ± 0,01 |
1,45 ± 0,04 |
1,20 ± 0,04 |
5. |
0,62 ± 0,01 |
1,55 ± 0,04 |
2,20 ± 0,04 |
6. |
0,64 ± 0,01 |
1,65 ± 0,04 |
3,60 ± 0,04 |
7. |
0,66 ±0,01 |
1,70 ± 0,04 |
5,40 ± 0,04 |
8. |
0,68 ± 0,01 |
1,85 ± 0,04 |
8,50 ± 0,08 |
9. |
0,70 ± 0,01 |
1,95 ± 0,04 |
11,75 ± 0,08 |
10. |
0,72 ± 0,01 |
2,05 ± 0,04 |
18,50 ± 0,15 |
11. |
0,74 ± 0,01 |
2,15 ± 0,04 |
26,50 ± 0,15 |
b) tabela wyników obliczeń:
Lp. |
PŻ ± ΔPŻ |
T |
T-1 ± ΔT-1 |
jN |
ln jN |
|
[W] |
[K] |
[K-1] |
[mA/cm2] |
|
1. |
0,648 ± 0,034 |
692 |
0,002 ± 0,111 |
0,15 |
- 1,898 |
ⁿ. |
0,728 ± 0,041 |
712 |
0,002 ± 0,100 |
0,35 |
- 1,050 |
3. |
0,783 ± 0,037 |
725 |
0,002 ± 0,117 |
0,70 |
- 0,357 |
4. |
0,870 ± 0,039 |
745 |
0,002 ± 0,120 |
1,20 |
0,183 |
5. |
0,961 ± 0,041 |
764 |
0,002 ± 0,123 |
2,20 |
0,789 |
6. |
1,056 ± 0,043 |
782 |
0,002 ± 0,126 |
3,60 |
1,281 |
7. |
1,122 ± 0,044 |
794 |
0,002 ± 0,129 |
5,40 |
1,687 |
8. |
1,258 ± 0,046 |
817 |
0,002 ± 0,134 |
8,50 |
2,141 |
9. |
1,365 ± 0,048 |
833 |
0,002 ± 0,137 |
11,75 |
2,464 |
10. |
1,476 ± 0,050 |
850 |
0,002 ± 0,139 |
18,50 |
2,918 |
11. |
1,591 ± 0,052 |
866 |
0,002 ± 0,142 |
26,50 |
3,278 |
Wartość tgα została wyznaczona na podstawie zależności:
stąd:
Praca wyjścia wynosi więc:
Pamiętając, że:
mamy: Wśr ≅ 1,3 eV
Przykładowe obliczenia: (pomiar 6)
Iż = 0,64 A
Iż= [(0,8%*0,64)+0,001] A = 0,006 A 0,01 A
Iż = (0,64 0,01) A
Uż : (zakres: 7,5 V)
Uż = 1,65 V
Uż: (klasa przyrządu: 0,5)
Uż= [(0,5*7,5)/100] V = 0,0375 V 0,04 V
Uż = (1,65 0,04 ) V
In: (zakres: 7,5 mA)
In = 3,60 mA
In: (klasa przyrządu: 0,5)
In= [(0,5*7,5)/100] mA = 0,038 mA 0,04 mA
In = (3,60 0,04 ) mA
Sk=1 cm2
Pz= 1,65*0,64/1 = 1,056 W
= (0,04/1,65+0,01/0,64) * 1,056 = 0,0421 0,043
Pż= (1,056 0,043) W
782 K
1/T = 0,001278 /K → 0,002 /K
=[(0,25*0,041)*782] K = 8,0155; /T → 0,12575 → 0,126 /K
1/T = (0,002 0,126) /K
= (3,60/1) mA/cm2 = 3,60 mA/cm2
lnjn= 1,28093 → 1,281
lnjn=(In/In)*lnjn= 0,04/3,60 * 1,281 = 0,015 mA/cm2
lnjn=(1,281 0,015) mA/cm2
= 55229/10 ≅ 5523 K
Δ tg α ≅ 5523 K
= 1,81 * 10 -19 * (5523/15004) ≅ 0,37 * 10 -19 ≅ 0,24 eV
ΔW ≅ 0,24 eV
Dyskusja błędów:
Błędy zastosowanych przyrządów pomiarowych podane są w punkcie o dokładności pojedyńczych pomiarów oraz w punkcie, gdzie pokazane były przykładowe obliczenia. Błędy wielkości złożonych zostały obliczone metodą różniczki logarytmicznej, gdyż wszystkie one są wielkościami iloczynowymi:
( i - stałe)
(Sk - stała)
Zestawienie wyników pomiarów:
Wszystkie wyniki pomiarów jak i obliczeń zawiera punkt tabele pomiarowe.
Wnioski i uwagi:
Przeprowadzane doświadczenie miało na celu wyznaczenie pracy wyjścia elektronów metodą prostych Richardsona dla wolframu.
Wartość średnia pracy wyjścia elektronu z katody badanej lampy, obliczona na podstawie dołączonego do sprawozdania wykresu, wyniosła ok. 1,3 eV. Przy czym niedokładność (błąd) pomiaru tej wielkości wahała się w granicach ±0,24.
Praca wyjścia elektronu z katody badanej lampy wynosi:
Ww = 1,21 1,77 eV