6

Wrocław dn. 23.11.99.

LABORATORIUM FIZYKI OGÓLNEJ

SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA NR 49

TEMAT: Zjawisko termoemisji elektronów

Wykonał Paweł Sokołowski

Wydz. Budownictwa Lądowego i Wodnego

Rok II

Gr.5

Wtorek 14¹⁵

Prowadzący dr T. Wiktorczyk

0. Wstęp

Celem ćwiczenia było wyznaczenie pracy wyjścia elektronów z wolframu oraz oraz pomiar charakterystyki prądowo-napięciowej diody próżniowej.

1.

Emisja elektronów z metalu (lub półprzewodnika)polega nauwalnianiu z jego powierzchni elektronówpod wpływem zewnętrznego czynnika pobudzającego. Takim czynnikiem może być wysoka temperatura,promieniowanie elektromagnetyczne, wysokie napięcie lub bombardujące cząstki.przedmiotem tego ćwiczenia byłobyło zbadanie termoemisji w diodzie próżniowej. Dioda jest najprostrzą lampą elektronową-jest to lampa dwu elektronowa.Jej elektrody(katoda i anoda) znajdują się w bańce szklanej, w której wytworzono wysoką prożnię.Aby wywołac termoemisje elektronów, ktodę diody podgrzewa się elektrycznie. Rozróżniasie się dwa rodzaje katod: zażonebezpośrednio i zażone pośrednio. W pierwszym przypadku katode stanowi cienki drucik metalowy,który zaży się w efekcie przepływającego prądu. Wdrugim przypadku katoda ma postać rurki metalowej, a grzejnik elektryczny jest umieszczony wewnątrz niej i od katody jest izolowany elektrycznie.

1.1.

Elektrony wewnątrz metalu można rozpatrywać jako cząstki znajdujące się w studni potencjału o skończonej wysokości.

Aby elektron mógł opuścić metal musi pokonać barierę energetyczną istniejącą na granicy metal-próżnia. Dla elektronów znajdujących się na poziomie Fermiego wysokość tej bariery wynosi przy czym E jest energia elektronu o energii kinetycznej równy zero, z dala od powierzchni metalu. Praca wyjścia jest najmniejszą energią , jaką należy dostarczyć elektronowi znajdującego się na poziomie Fermieg, aby mógł opuścić powierzchnię metalu.

Aby elektron mógł opuścić powierzchnię metalu, składowa jego prędkości w kierunku prostopadłym do powierzchni katody musi spełniać warunek:

Zjawisko termoemisji ilościowej opisane zostało przez Richardsona i Dushmana równaniem:

I=A(1-R)sT

W którym:

A=4

1.2.

Ruch elektronów w polu elektrycznym, charakterystyki prądowo-napięciowe diody. Na elektrony uwolnione z katody diody próżniowej działają następujące pola:

a) Pole elektryczne między anodą i katodą pochodzące od zewnętrznego napięcia przyłożonego do tych elektrod (napięcie anodowe U ). Dla diody z płasko-równoległymi elektrodami pole to jest jednorodne, a potencjał między katodą i anodą rośnie liniowo od zera aż do potencjału anody V .

b)Pole pochodzące od chmury elektronów, które opuściły katodę i tworzą ładunek przestrzenny rozłożony w przestrzeni między katodą i anodą.Ten ładunek przestrzenny ujemnie naładowanej chmury elektronowej powoduje zaburzenia rozkładu potencjału między katodą i anodą. Aktualny potencjał jest więc w każdym punkcie przestrzeni niższy niż bez obecności ładunku przestrzennego.

c) Pole elektryczne pochodzące od tzw. napięcia kontaktowego. Napięcie kontaktowe powstaje wtedy ,gdy anoda i katoda wykonane są z materiałów o różnych pracach wyjścia . Napięcie kontaktowe jest wówczas określone równaniem :

U

Jeśli katoda i anoda diody próżniowej wykonane są z różnych materiałów, wtedy rzeczywista wartość napięcia U między anodą i katodą jest sumą algebraiczną napięcia anodowego U i napięcia kontaktowego U

U= U

1. Obszar prądu wybiegu występuje najczęściej dla ujemnych napięć anodowych. Prąd ten powstaje w wyniku pokonywania przez najszybsze elektrony niewielkiego pola hamującego istniejącego między katodą i anodą. Gdy U

Podstawiając w miejsce do wzoru Richardsona otrzymujemy

w którym

Jeśli uwzględnimy napięcie kontaktowe między katodą i anoda , to do wzoru w miejsce napięcie wypadkowe U wówczas:

1.3. Wyznaczenie wykładnika potęgowego n (prawo Langmuira)

1.4. Wyznaczenie pracy wyjścia elektronów z katody metodą prostych Richardsona

Pracę wyjścia wyznacza się dla diody z katodą wolframową, mierząc zależność prądu termoemisji w funkcji temperatury katody

Jest to równanie linii prostej we współrzędnych

1.5.Wyznaczanie temperatury pracy katody wolframowej

Oporność katody wolframowej w funkcji temperatury określona jest przybliżonym wzorem:

-rezystancja katody wolframowej w temperaturze pokojowej T =293K

=(4,6

z prawa Ohma otrzymujemy

1.6. Charakterystyka prądowo - napięciowa

U		I
30,00	1,00
25,00	0,95
20,00	0,93
15,00	0,92
10,00	0,89
5,00	0,69
4,00	0,54
3,00	0,36
2,00	0,20
1,50	0,13
1,00	0,066
0,90	0,06
0,80	0,049
0,70	0,04
0,60	0,033
0,50	0,026
0,40	0,0205
0,30	0,016
0,20	0,012
0,10	0,0072
0,00	0,00

1.7. Badanie diody z katodą wolframową

I [mA]	U [V]	I [A]	[	[	[	[
1	4,05	1,35	3,000	8,824	0,061	0,309
0,58	3,8	1,325	2,868	8,435	0,061	0,303
0,36	3,6	1,275	2,824	8,304	0,063	0,306
0,22	3,4	1,225	2,776	8,163	0,065	0,310
0,115	3,2	1,2	2,667	7,843	0,065	0,305
0,064	3,0	1,15	2,609	7,673	0,067	0,309
0,033	2,8	1,12	2,500	7,353	0,067	0,305
0,012	2,6	1,075	2,419	7,114	0,069	0,306
0,0058	2,4	1,04	2,308	6,787	0,069	0,304
0,002	2,2	0,95	2,316	6,811	0,076	0,324
0,00078	2,0	0,925	2,162	6,359	0,076	0,316
0,00022	1,8	0,875	2,057	6,050	0,078	0,319
0,00004	1,6	0,825	1,939	5,704	0,081	0,321

Przykłady obliczeń:

R

=

V

=