Rok akademicki : 1995/96	LABOLATORIUM Z FIZYKI
Numer ćwiczenia : 63	Temat ćwiczenia : PROCESY FIZYCZNE W LAMPACH ELEKTRONOWYCH
Wydział : Mechaniczny Kierunek :Mechanika i Budowa Maszyn Grupa : K06-2	Nazwisko i imię : Rafał Markut, Marcin Wirkus
Data wykonania : 08.04.1996	Ocena :		Data zaliczenia :	Podpis :
	T
	S

I. ZASADA POMIARU :

Zadaniem naszym w tym ćwiczeniu było wyznaczenie pracy wyjścia elektronu z wolframu . Całe doświadczenie skupiło się na znalezieniu parametrów dzięki którym można tą pracę wyjścia znaleźć . W obliczeniach wyszliśmy ze wzoru Richardsona- Dushmana :

( W )

jn = B * T2 * exp (-----)

( kT )

gdzie:

B - stała emisyjna zależna od stanu powierzchni metalu i stopnia jego czystości ,

T - temperatura bezwzględna katody ,

jn - gęstość prądu nasycenia ,

k - stała Boltzmana ,

W - praca wyjścia elektronów .

Po zlogarytmowaniu stronami i dokonaniu pewnych uproszczeń :

| W |

ln jn = cost. | - ----- |

| kT |

Wykresem powyższej zależności w układzie współrzędnych ln j_n i 1/T jest tzw.

prosta Richardsona.

Z wykresu i w oparciu o powyższy wzór wyznaczamy pracę wyjścia „W” :

W = k * tgα

Po zbudowaniu układu według schematu ustaliliśmy napięcie anodowe na wartości

U_a = 150 V , prąd żarzenia na Iż = 0,54A . Następnie zwiększaliśmy prąd żarzenia co 0,02 A i odnotowywaliśmy odpowiednie : Uż oraz In .

II. SCHEMAT UKŁADU POMIAROWEGO :

III. OCENA DOKŁADNOŚCI POJEDYŃCZYCH

POMIARÓW :

Podczas ćwiczenia dokonywaliśmy pomiarów : miliamperomierzem oraz woltomierzem.

Woltomierz :

Klasa : 0,5

Zakres : 3 V

0,5 * 3

Błąd pomiaru (ΔV) = ---------- = 0,015

100

Miliamperomierz :

Klasa : 0,5

Zakres mernika był raz zmieniany. Pierwsze 8 pomiarów było mierzone na zakresie : 7,5 mA.

Natomiast, pozostałe 4 pomiary byłe mierone na zakresie : 30 mA

0,5 * 7,5

Błąd pomiaru dla pierwszego zakresu (1-8) = ------------- = 0,0375

100

0,5 * 30

Błąd pomiaru dla drugiego zakresu (9-12) = ----------- = 0,15

100

Do obliczenia błędów użyłem wzoru :

klasa miernika * zakres

Błąd pomiaru (ΔX) = -------------------------------

100 %

IV. TABELA POMIARÓW :

Ua = 150 V

L.P.	Iż +/- ΔIż /A/	Uż +/- ΔUż /V/	In +/- ΔIn /mA/
1	0,54 +/- 0,005	1,09 +/- 0,015	0
2	0,56 +/- 0,005	1,14 +/- 0,015	0,07 +/- 0,0375
3	0,58 +/- 0,005	1,26 +/- 0,015	0,2 +/- 0,0375
4	0,60 +/- 0,005	1,41 +/- 0,015	0,68 +/- 0,0375
5	0,62 +/- 0,005	1,47 +/- 0,015	1,08 +/- 0,0375
6	0,64 +/- 0,005	1,56 +/- 0,015	1,75 +/- 0,0375
7	0,66 +/- 0,005	1,67 +/- 0,015	2,60 +/- 0,0375
8	0,68 +/- 0,005	1,70 +/- 0,015	3,87 +/- 0,0375
9	0,70 +/- 0,005	1,93 +/- 0,015	11,50 +/- 0,15
10	0,72 +/- 0,005	2,04 +/- 0,015	16,50 +/- 0,15
11	0,74 +/- 0,005	2,14 +/- 0,015	21,60 +/- 0,15
12	0,76 +/- 0,005	2,23 +/- 0,015	27,70 +/- 0,15

L.P.	Pż +/- ΔPż /W/	T /K/	1/T +/- Δ1/T /K^-1/	jn /mA/cm^2/	ln jn
1	0,5886 +/- 0,0135	675,02	0,00148 +/- 0,00000848	0	-
2	0,6384 +/- 0,0140	688,866	0,00145 +/- 0,00000794	0,07	-2,659
3	0,7308 +/- 0,0149	712,543	0,00140 +/- 0,00000713	0,2	-1,609
4	0,846 +/- 0,0160	739,101	0,00135 +/- 0,00000638	0,68	-0,385
5	0,9114 +/- 0,0166	752,989	0,00132 +/- 0,00000601	1,08	0,076
6	0,9984 +/- 0,0173	770,349	0,00129 +/- 0,00000558	1,75	0,559
7	1,1022 +/- 0,0182	789,635	0,00126 +/- 0,00000495	2,60	0,955
8	1,156 +/- 0,0186	799,1	0,00125 +/- 0,00000476	3,87	1,353
9	1,351 +/- 0,0201	830,855	0,00120 +/- 0,00000446	11,50	2,442
10	1,4688 +/- 0,0209	848,403	0,00117 +/- 0,00000416	16,50	2,803
11	1,5836 +/- 0,0217	864,516	0,00115 +/- 0,00000393	21,60	3,072
12	1,6948 +/- 0,0225	879,308	0,00113 +/- 0,00000375	27,70	3,321

gdzie :

Pż - moc właściwa katody

T - temperatura katody

j_n - gęstość prądu nasycenia

Iż - prąd żarzenia

In - natężenie prądu nasycenia

V. PRZYKŁADOWE OBLICZENIA WYNIKÓW

POMIARÓW WIELKOŚCI ZŁOŻONEJ :

Moc właściwa katody, czyli moc żarzenia przypadającą na jednostkę powierzchni katody obliczamy ze wzoru :

Uż * Iż

Pż = ----------

Sk

gdzie :

Pż - moc właściwa katody

Iż - prąd żarzenia

Sk - powierzchnia katody, dla lampy elektronowej AZ-1 przyjeliśmy, że Sk = 1 cm²

np. dla pomiaru nr 1 :

1,09 V * 0,54 A

Pż = ---------------------- = 0,5886 W

1 cm²

Temperaturę katody wyznacyliśmy ze wzoru :

______

| Pż

T = 4| --------

\| ε*σ

gdzie :

Pż - moc właściwa katody

W

σ - stała = 5,76 * 10^-12 ----------

cm²*K⁴

ε - emisyjność całkowita równa 0,5 dla katody lampy AZ-1

np. dla pomiaru nr 1 : ________________

| 0,5886

T = 4| ---------------------- = 675,02 K

\| 0,5 * 5,76 * 10^-12

Przykładowe obliczenie wartości 1/T dla pomiaru nr 1 :

1 / 675,02 = 0,00148 K^-1

Gęstość prądu nasycenia obliczyliśmy ze wzoru :

In

j_n = -----

Sk

gdzie :

j_n - gęstość prądu nasycenia ,

In - natężenie prądu nasycenia ,

Sk - powierzchnia katody, dla lamy elektronowej AZ-1 przyjeliśmy Sk = 1 cm²

np. dla pomiaru nr. 2 :

0,07 mA

j_n = ------------ = 0,07 mA/cm²

1 cm²

Przykładowe obliczenie wartości lnj_n dla pomiaru nr 2 :

ln 0,07 = -2,659

VI. RACHUNEK BŁĘDÓW :

Sposób obliczania błędów pomiarów, takich jak : Uż, In przestawiliśmy w punkcie III (Ocena dokładności pojedyńczych pomiarów).

Błąd ΔPż (moc właścia katody) obliczyliśmy ze wzoru :

( |ΔUż| |ΔIż| )

ΔPż = (|-----| + |-----|) * Pż

(| Uż | | Iż |)

np. dla pomiaru nr 1 :

(|0,015 A| |0,005 V|)

ΔPż = (|----------| + |----------|) * 0,5886 W = 0,0135 W

(| 0,54 A| | 1,09 V |)

Błąd Δ1/T obliczyliśmy ze wzoru :

Δ1/T = 1/4*(ΔPż / Pż)* 1/T

np. dla pomiaru nr 1 :

Δ1/T = 1/4*(0,0135 W / 0,5886 W) * 0,00148 K^-1 = 0,00000848 K^-1

VII. ZESTAWIENIE WYNIKÓW POMIARÓW :

W opracowaniu wyników pomiarów należało umieścić wykresy zależności :

jn = f(Iż)

jn = f(Pż)

lnjn = f(1/T)

w oparciu o ostatni wykres , oraz o wzór :

W = k * tgα

wyznaczamy wartość pracy wyjścia elektronu z wolframu .

gdzie :

W - praca wyjścia elektronu

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

tgα - kąt α prostej Richardsona do 1/T (rys. poniżej)

Z trygonometrycznej funkcji tgα = a / b obliczymy kąt α

a = 5,98

b = 0,00033 K^-1

Po podstawieniu : tgα = 5,98 / 0,00033 = 18121,21212 K

Po podstawieniu do wzoru na pracę wyjścia :

W = 1,38 * 10^-23 J/K * 18121,21212 K = 2,5007273 * 10^-19 J

Po zamienieniu J na eV (elektronowolty), czyli 2,5007273*10^-19 * 6,242*10¹⁸

Praca wyjśca elektronu z wolframu po zaokrągleniu wg naszych obliczeń wynosi : 1,56 eV

VIII. UWAGI I WNIOSKI :

Podczas pomiaru po zwiększeniu prądu żarzenia należało odczekać chwilę aż ustabilizuje się temperatura katody,jednak wtedy prąd zaczął spadać po czym wzrastać w dużym zakresie, co utrudniło nam dokładne pomiary i przyczyniło się zwiększenia błędu pomiaru.

---