POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA

KATEDRA FIZYKI

Ćwiczenie nr 11

Temat: Wyznaczanie pracy wyjścia elektronów z katody lampy elektronowej.

Wykonali:

Jałmużna Witold

Marasek Piotr

Sem.IV gr.V

1) WSTĘP TEORETYCZNY

a )

Termoemisja - emisja elektronów ,niekiedy jonów ,spowodowana ogrzaniem ciała do wysokiej temperatury , pod wpływem dostarczonej energii wzrasta energia kinetyczna elektronów , wskutek czego część z nich wydostaje się na zewnątrz ciała. Zależność gęstości prądu emisji termoelektronowej od temperatury powierzchni emitującego ciała określa wzór Richardsona :

j_e=BT²exp(-A/kT)

gdzie

A-praca wyjścia elektronów z ciała ,

B- stała ,

stała Boltzmana ,

b)

Prąd nasycenia : Zakładając że temperatura katody nie ulegnie zmianie , a zmienia się jedynie napięcie anodowe U_A i w rezultacie natężenie E pola elektrycznego w pobliżu powierzchni katody przy małych wartościach U_A i E , gdy działająca na elektrony siła eE jest nieznaczna , jedynie niewielka część elektronów może oderwać się od otaczającej katodę chmury elektronowej . W miarę zwiększania wartości E liczba elektronów wyrwanych z chmury elektronowej i kierowanych ku anodzie wzrasta. Wreszcie przy bardzo dużych wartościach U_A i E niemal wszystkie elektrony wychodzące z powierzchni katody kierują się ku anodzie. Otrzymujemy wtedy max natężenie prądu termoemisji w danej temperaturze. Prąd termoemisji o takim natężeniu nazywamy prądem nasycenia.

c)

Praca wyjścia : Wewnątrz metalu o temperaturze większej od temperatury zera bezwzględnego część elektronów walencyjnych ma energię równą lub przewyższającą poziom Ferniego (W_F) i występują w postaci swobodnych elektronów. Chcąc uzyskać elektrony swobodne na zewnątrz metalu należy dostarczyć im energii co najmniej równej (W_F). Energia ta to praca wyjścia-A.

Przy opuszczeniu metalu przez elektrony o energii W_F należy pokonać siły występujące między tymi elektronami , a ich dodatnimi ładunkami obrazowymi powstającymi wewnątrz metalu. Zgodnie z prawem elektrotechniki między ładunkiem elektronu -e, a jego ładunkiem obrazowym +e działa siła

F_x=-(e²/4πε(2x²) = -1/4πε(e²/4x² ) (1)

Metoda obliczania pracy wyjścia. Zakłada się , że elektrony o energii większej od W_F znajdują się w postaci chmury przy zewnętrznej stronie powierzchni metalu, w odległości rzędu odległości miedzy jonami sieci

krystalicznej metalu. Dla uproszczenia przyjmuje się, że elektrony te leżą w jednej płaszczyźnie w odległości x₀ od powierzchni metalu. Wówczas elektron opuszczający metal musi pokonać barierę potencjlną warstwy podwójnej o grubości x₀, a więc pokonać siłę F_x0=-(1/4πε)(e²/4x₀²), a następnie siłę zgodną ze wzorem (1).

Całkowita praca wykonywana przez elektron w eV obliczamy w następujący sposób

W_a=∫(F_x0=F_x)dx=-(1/4πε)[(e²/4x₀)+(e²/4x₀)]

Pracę W_a równą pracy na powierzchni bariery potencjalnej nazywamy całkowitą praca wyjścia. Przy obliczaniu pracy całkowitej W_a grubość warstwy podwójnej x₀ nie jest określona. Wyznaczenie tej pracy jest więc możliwe wówczas, gdy będzie znana bariera potencjalna dla różnych metali. W elektronice pracą wyjścia A nazywamy różnicę między pracą całkowitą W_a, a energią poziomu Fermiego w temp. 0K

A = W_a - W_F = eϕ,

gdzie:

ϕ- potencjał wyjścia.

2) SCHEMAT BLOKOWY.

3) TABELE POMIAROWE

Lp.	UŻ1=4,2V ,JŻ1=2.35A		UŻ2=4,4V, JŻ2=2.42A
	UA [V]	JA [mA]	UA [V]	JA [mA]
1	80	44	80	60
2	90	80	90	110
3	100	130	100	160
4	110	170	110	220
5	120	220	120	280
6	130	270	130	350
7	140	330	140	430
8	150	410	150	520
9	160	470	160	620
10	170	530	170	710
11	180	570	180	780
12	190	590	190	840
13	200	594	200	880
14	210	598	210	890
15	220	600	220	898
16	230	600	230	900
17	240	604	240	910
18	250	606	250	910
19	260	610	260	912
20	270	612	270	918
21	280	614	280	920
22	290	614	290	924
23	300	618	300	924
24	310	618	310	930
25	320	622	320	932
26	330	624	330	936
27	340	624	340	938
28	350	624	350	940
29	360	624	360	944
30	370	624	370	944
31	380	630	380	950
32	390	630	390	952
33	400	632	400	952
34	410	636	410	956
35	420	638	420	948
36	430	638	430	960
37	440	640	440	964
38	450	640	450	964

4) OBLICZENIA

z wykresów:

T₁ = 1120 K T₂ = 1160 K

J_n1 = 0,64 mA J_n2 = 0,964 mA

praca wyjścia

5) UWAGI I WNIOSKI

Podczas wykonywania tego ćwiczenia poznaliśmy metodę wyznaczania pracy wyjścia elektronów z katody lampy elektronowej. Praca wyjścia elektronu jest równa energii jaką należy mu dostarczyć aby mógł pokanać tzw. Poziom ferniego i opuścić katodę. Z naszych pomiarów wynika że praca ta wynosi 3,2eV. Prawidłowo praca wyjścia elektronów wynosi 4 eV. Tak więc pomiar nasz jest obarczony błędem rzędu około 8%. Na błąd ten składają się wszystkie błędy występujące przy pomiarach wielkości pośrednich, a więc napięcia żażenia, natężenia prądu żażenia oraz błąd pomiarów napięcia anodowego i prądu anodowego.

5) CHARAKTERYSTYKI

---