Rok akademicki 1996/97 |
Laboratorium z fizyki |
|||
Nr ćwiczenia:
63 |
Temat: Procesy fizyczne w lampach elektronowych |
|||
Wydział: Elektronika
Kierunek: E-nika i Telekom.
Grupa: E03 |
Imię i nazwisko: Tomasz Zalewski |
|||
Data wykonania |
Ocena |
Data zaliczenia |
Podpis |
|
|
T |
|
|
|
|
S |
|
|
|
1. Zasada pomiaru.
Prąd elektryczny może płynąć także bez udziału przewodzącego materiału np. w lampach elektronowych. W częściach metalowych obwodu z lampą elektronową prąd polega na ruchu swobodnych elektronów w kierunku przeciwnym do umownego kierunku prądu. By obwód był zamknięty, w przerwie między anodą i katodą muszą też płynąć elektrony w kierunku od katody do anody. Rozgrzana katoda wysyła więc swobodne elektrony tworzące prąd anodowy. Zjawisko to nosi nazwę termoemisji. Ponieważ elektrony mogą się swobodnie poruszać tylko wewnątrz metalu od wyjścia na zewnątrz są powstrzymywane siłami przyciągania jonów dodatnich metalu. Na granicy metal-powietrze istnieje więc nagła zmiana potencjału zwana barierą potencjału. By elektron mógł się z metalu wydostać, musi pokonać tę barierę, tzn. musimy mu dostarczyć pracy równej przyrostowi energii potencjalnej przy przejściu z metalu do próżni. Jeśli skok potencjału na granicy zetknięcia przewodnika z powietrzem wynosi U , praca będzie równa eU. Nazywamy ją pracą wyjścia elektronu z metalu. Jeśli wszystkie elektrony tworzące prąd w lampie elektronowej docierają do anody to mamy do czynienia z prądem nasycenia.
Doświadczenia wykazują iż gęstość prądu nasycenia jn wzrasta bardzo szybko wraz ze zwiększeniem temperatury katody. Na podstawie teorii kwantowej opisującej zjawisko termoemisji można obliczyć wartość gęstości prądu nasycenia. Wyraża ją wzór Richardsona - Dushmana :
gdzie:
T - temperatura bezwzględna w K
W - praca wyjścia
k - stała Boltzmanna
B - stała emisyjna zależna od stanu powierzchni metalu i stopnia jego czystości
jn - gęstość prądu nasycenia
Pomiar prądu nasycenia In (jego gęstości jn) oraz znajomość temperatury katody pozwala znaleźć pracę wyjścia W [eV]. Można ją wyznaczyć na podstawie wykresu zależności:
Celem ćwiczenia było zbadanie zależności natężenia prądu termoemisji od temperatury katody i wyznaczenie pracy wyjścia elektronu z metalu.
2. Schemat układu pomiarowego.
3. Ocena dokładności pojedynczych pomiarów.
Dokładność przyrządów użytych do pomiarów:
a) woltomierz analogowy:
b) miliamperomierz analogowy:
c) miliamperomierz cyfrowy:
4. Tabele pomiarowe.
a) wyniki pomiarów wraz z błędami pomiarowymi:
|
Ua = 150 V |
|||||
Lp. |
Iz |
ΔIz |
Uz |
ΔUz |
In |
ΔIn |
|
A |
mA |
V |
V |
mA |
mA |
1 |
0,54 |
6,5 |
1,15 |
0,02 |
0,25 |
0,15 |
2 |
0,56 |
6,7 |
1,25 |
0,02 |
0,25 |
0,15 |
3 |
0,58 |
7,0 |
1,35 |
0,02 |
0,50 |
0,15 |
4 |
0,60 |
7,2 |
1,45 |
0,02 |
1,00 |
0,15 |
5 |
0,62 |
7,4 |
1,50 |
0,02 |
2,00 |
0,15 |
6 |
0,64 |
7,7 |
1,60 |
0,02 |
3,00 |
0,15 |
7 |
0,66 |
7,9 |
1,70 |
0,02 |
5,00 |
0,15 |
8 |
0,68 |
8,2 |
1,80 |
0,02 |
7,75 |
0,15 |
9 |
0,70 |
8,4 |
1,90 |
0,02 |
11,5 |
0,15 |
10 |
0,72 |
8,6 |
2,00 |
0,02 |
16,5 |
0,15 |
11 |
0,74 |
8,9 |
2,10 |
0,02 |
22,5 |
0,15 |
12 |
0,76 |
9,1 |
2,20 |
0,02 |
30,0 |
0,15 |
b) wyniki obliczeń na podstawie dokonanych pomiarów:
Lp. |
Pz |
ΔPz |
T |
1/T |
Δ 1/T |
jn |
ln jn |
Δ ln jn |
|
W |
W |
K |
K-1 |
K-1 |
mA/cm2 |
- |
- |
1 |
0,62 |
0,02 |
684 |
1,46⋅10-3 |
9⋅10-6 |
0,25 |
-1,38 |
0,83 |
2 |
0,70 |
0,02 |
705 |
1,42⋅10-3 |
9⋅10-6 |
0,25 |
-1,38 |
0,83 |
3 |
0,78 |
0,02 |
725 |
1,38⋅10-3 |
8⋅10-6 |
0,50 |
-0,69 |
0,21 |
4 |
0,87 |
0,02 |
744 |
1,34⋅10-3 |
8⋅10-6 |
1,00 |
0 |
0,00 |
5 |
0,93 |
0,02 |
757 |
1,32⋅10-3 |
7⋅10-6 |
2,00 |
0,69 |
0,05 |
6 |
1,02 |
0,02 |
775 |
1,29⋅10-3 |
7⋅10-6 |
3,00 |
1,10 |
0,05 |
7 |
1,12 |
0,02 |
793 |
1,26⋅10-3 |
7⋅10-6 |
5,00 |
1,61 |
0,05 |
8 |
1,22 |
0,02 |
811 |
1,23⋅10-3 |
6⋅10-6 |
7,75 |
2,05 |
0,04 |
9 |
1,33 |
0,03 |
828 |
1,21⋅10-3 |
6⋅10-6 |
11,5 |
2,44 |
0,03 |
10 |
1,44 |
0,03 |
844 |
1,19⋅10-3 |
6⋅10-6 |
16,5 |
2,80 |
0,03 |
11 |
1,55 |
0,03 |
860 |
1,16⋅10-3 |
6⋅10-6 |
22,5 |
3,11 |
0,02 |
12 |
1,67 |
0,03 |
876 |
1,14⋅10-3 |
5⋅10-6 |
30 |
3,40 |
0,02 |
5. Przykładowe obliczenia wyników pomiarów wielkości złożonej.
a) moc właściwa
wartość mocy została obliczona ze wzoru
b) temperatura katody oraz jej odwrotność
wartość temperatury obliczona została ze wzoru
gdzie: ε - emisyjność całkowita równa 0,5 dla katody lampy AZ-1
σ - stała równa 5,67⋅10-12
Wartości liczbowe gęstości prądu nasycenia jn są identyczne jak wartości liczbowe natężenia prądu nasycenia In , różna jest natomiast jednostka co wynika bezpośrednio ze wzoru: .
c) praca wyjścia
Wartość pracy wyjścia obliczona została ze wzoru:
gdzie: k - stała Boltzmanna 1,38⋅10-23 [J/K]
Wartość tgα wyznaczona została na podstawie zależności:
stąd:
Praca wyjścia wynosi więc:
Pamiętając, że: mamy:
6. Rachunek błędów.
a) błąd maksymalny popełniany przy wyznaczaniu mocy właściwej został obliczony przy
pomocy różniczki logarytmicznej:
b) błąd maksymalny wartości 1/T wartości został obliczony przy pomocy różniczki zupełnej
c) błąd wyznaczania wyrażenia ln jn został określony na podstawie wzoru:
d) błąd obliczania pracy wyjścia:
Aby obliczyć błąd pracy wyjścia należało wyznaczyć najpierw błąd przeciętny pomiaru wartości tgα :
Następnie metodą np. różniczki logarytmicznej wyznacza się błąd obliczenia pracy wyjścia:
Ostatecznie błąd wyznaczenia pracy wyjścia wynosi:
7. Zestawienie wyników pomiarów.
Praca wyjścia
Dopuszczalny zakres pracy wyjścia |
1,21 ÷ 1,77 eV |
Wartość średnia pracy wyjścia |
1,49 eV |
Pozostałe wyniki obliczeń na podstawie dokonanych pomiarów znajdują się w tabeli b) w punkcie 4 sprawozdania.
8. Uwagi i wnioski.
Wartość średnia pracy wyjścia elektronu z katody badanej lampy, obliczona na podstawie dołączonego do sprawozdania wykresu, wyniosła ok. 1,49 eV. Przy czym niedokładność (błąd) pomiaru tej wielkości wahała się w graniczach ±0,28. Temperatura katody lampy podczas pracy wahała się od 684 do ok. 880 K. Z charakterystyk jn = f(Pz) oraz jn = f(Iz) można wywnioskować iż w badanej lampie gęstość prądu nasycenia rośnie w funkcji potęgowej wraz ze wzrostem prądu żarzenia Iz , podobnie gdy zwiększa się moc żarzenia Pz. Czyli po przekroczeniu pewnej wartości np. prądu żarzenia wynoszącej ok. 0,65 A gęstość prądu nasycenia zaczyna rosnąć dość gwałtownie.
Ćwiczenie było wykonane z dość dużą dokładnością dzięki dobrej klasie przyrządów pomiarowych. Jedynie większy błąd mógł powstać przy pomiarze natężenia prądu nasycenia In gdyż podczas pierwszych pomiarów tej wielkości w lampie płynął znikomy prąd.