POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA

KATEDRA FIZYKI

Ćwiczenie nr 11

Temat: Wyznaczanie pracy wyjścia elektronów z katody lampy elektronowej.

Wykonali:

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 ,

11. 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=		UŻ2=4,4V, JŻ2=
	UA [V]	JA [A]	UA [V]	JA [A]
1	82	49,5	82	60
2	92	83	92	101
3	103	124	103	153
4	113	158	113	205
5	123	200	123	258
6	134	254	134	322
7	143	317	143	395
8	156	378	156	482
9	164	435	164	568
10	174	482	174	643
11	184	504	184	706
12	194	509	194	745
13	206	513	206	764
14	216	515	216	768
15	225	518	225	774
16	236	519	236	778
17	245	520	245	780
18	255	521	255	787
19	265	525	265	790
20	276	525	276	794
21	286	527	286	797
22	295	529	295	800
23	311	530	311	804
24	323	532	323	808
25	332	534	332	809
26	342	536	342	810
27	352	538	352	814
28	363	539	363	818
29	372	539	372	819
30	382	540	382	822
31	392	543	392	824
32	402	544	402	826
33	412	545	412	828
34	423	547	423	830
35	433	548	433	833
36	443	549	443	837
37	453	550	453	839

4) OBLICZENIA

z wykresów:

T₁ = 1125 K T₂ = 1133 K

J_n1 = 0,53 mA J_n2 = 0,82 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 6,19eV. Prawidłowo praca wyjścia elektronów wynosi 4 eV. Tak więc pomiar nasz jest obarczony błędem rzędu około 54,75 %. 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

---