SEMESTR III. |
LABORATORIUM FIZYKI |
SEKCJA 2 |
|||
GRUPA 2 |
|
|
|||
Wydział: ELEKTRYCZNY Kierunek: ELEKTRONIKA I TELEKOMUNIKACJA |
|||||
Imiona i nazwiska:
|
Temat ćwiczenia:
Wyznaczanie pracy wyjścia elektronów z metalu.
|
||||
Data wykonania ćwiczenia:
|
Ocena: |
Podpis: |
|||
1.Wprowadzenie.
Szereg doświadczeń wykazuje bezpośrednio obecność swobodnych elektronów w metalu. Klasyczna teoria przewodnictwa metali opracowana przez P. Drude`go w 1900r. Opiera się właśnie na założeniu, że nośnikami prądu w metalu są właśnie elektrony poruszające się w sieci krystalicznej dodatnich jonów. Duża koncentracja elektronów oraz chaotyczny ruch cieplny elektronów pozwoliły zastosować dla elektronów podobne związki jak, dla gazu doskonałego. Mówi się nawet o gazie elektronowym. Podobnie jak cząsteczki cieczy odrywają się od jej powierzchni w zjawisku parowania, tak i swobodne elektrony mogą wydostać się na zewnątrz metalu. Metal opuszczają tylko te elektrony, których energia kinetyczna będzie większa od nominalnej wartości energii, zwanej pracą wyjścia. Liczba emitowanych elektronów rośnie ze wzrostem temperatury. Zjawisko opuszczania metali przez elektrony pod wpływem wysokiej temperatury nazywamy termoemisją. Emisja elektronów może być wywołana innymi przyczynami: oświetleniem, przyłożeniem pola elektrycznego, bombardowaniem cząsteczkami itp. Energia potencjalna elektronów w metalu jest ujemna, a miarą wysokości bariery potencjalnej jest właśnie praca wyjścia W równa różnicy pomiędzy poziomem energii Fermiego w danym metalu a tzw. Poziomem zerowym energii (zwanym też poziomem próżni). Poziom Fermiego jest najwyższym poziomem energetycznym obsadzonym przez elektrony w temperaturze zera absolutnego. W klasycznej próżniowej lampie dwuelektrodowej (diodzie) katoda wykonana jest z czystego wolframu. Katoda żarzy się pod wpływem płynącego prądu i takie rozwiązanie nazywamy żarzeniem bezpośrednim. Dla takiej lampy charakterystyka prądowo-napięciowa ma przebieg pokazany na rys.
Wykres charakteryzuje się dwiema osobliwościami:
w zakresie małych napięć natężenie prądu proporcjonalne jest do napięcia w potędze 3/2, co wykazał Landmuir:
Ia= B Ua Ia3/2
- dla dużych napięć natężenie prądu anodowego praktycznie nie zależy od napięcia, a stan taki nazywamy nasyceniem. Nasycenie prądu anodowego wykazują jedynie diody żarzone bezpośrednio, z katodami wolframowymi, nieaktywowanymi torem (lub w inny sposób).
2.Schematy i tabele pomiarowe.
0-3 V 0 - 150 V
Schemat układu do wyznaczania charakterystyk diody.
Ua [V] |
Natężenie prądu anodowego ia [ A] |
||
|
Iż = 0,9 A Uż = 1,54 V |
Iż = 1,0 A Uż = 1,8 V |
Iż = 1,1 A Uż = 2,1 V |
150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 |
0,84 0,74 0,7 0,68 0,64 0,60 0,57 0,54 0,50 0,46 0,42 0,36 0,30 0,23 0,14 0,05
|
2,72 2,70 2,65 2,60 2,47 2,35 2,05 1,90 1,67 1,45 1,30 1,00 0,85 0,60 0,35 0,04 |
7,5 7,3 7,0 6,7 6,3 5,9 5,5 5,0 4,6 4,1 3,5 2,9 2,2 1,58 0,95 0,05
|
3. Obliczenia oraz rachunek błędów.
Obliczamy rezystancje ciepłej katody dla trzech różnych prądów żarzenia.
Rt = Uż/Iż
Rezystancje te wynoszą odpowiednio:
1). Rt = 1,71 ± 0,01 [Ω]
2). Rt = 1.80 ± 0,01 [Ω]
3). Rt = 1,91 ± 0,01 [Ω]
Niepewności pomiaru rezystancji wynikają z klasy dokładności użytych przyrządów.
Następnie obliczamy temperaturę katody dla trzech różnych prądów żarzenia:
T = 293 + [(Rt/Ro) - 1]/α
gdzie: α - 4,306 * 10-3 K-1 - temperaturowy współczynnik oporności materiału katody
Ro - (0,512 ± 0,004) [Ω] - opór katody w temperaturze
pokojowej to = 20°C
Temperatury te wynoszą odpowiednio:
T1 = 836,4 ± 8,4 K
T2 = 877,9 ± 8,7 K
T3 = 927,1 ± 9,1 K
Obliczamy pracę wyjścia:
W = k * [(T1 *T2)/(T2 - T1)] * ln[(T1/T2)2 * (in2/in1)]
gdzie: k = 1,38 * 10-23 [J/K] - stała Boltzmana
Indeksy 1 i 2 odnoszą się odpowiednio do dwóch różnych temperatur katody i odpowiadających im natężeń prądów nasycenia.
Odpowiednie prądy nasycenia odczytujemy z charakterystyk
zamieszczonych w sprawozdaniu.
Praca wyjścia wynosi odpowiednio:
Dla T1 i T2 - W = 2,615 * 10-19 [ J]
Dla T2 i T3 - W = 2,588 * 10-19 [ J]
Dla T1 i T3 - W = 2,321 * 10-19 [ J]
Błąd wyznaczenia pracy wyjścia wyznaczamy stosując różniczkę
zupełną:
Praca wyjścia wraz z niepewnościami:
Dla T1 i T2 - W=(2,615±0,126)*10-19
Dla T2 i T3 - W=(2,588±0,119)*10-19
Dla T1 i T3 - W=(2,321±0,103)*10-19
Następnie obliczam średnią ważoną pracy wyjścia elektronów
z katody:
Xi |
ΔXi |
Wi |
Wi*Xi |
Wi*ΔXi |
2,615 2,588 2,321 |
0,126 0,119 0,103 |
62,97 70,61 94,25 |
164,7 182,7 218,7 |
7,94 8,40 9,70 |
∑ |
227,85 |
566,1 |
26,04 |
|
Średnia ważona: 566,1/227,85=2,484
Błąd max średniej ważonej równy jest: 26,04/227,85=0,114
Ostateczna wartość pracy wyjścia wynosi:
W = (2,484±0,114) *10-19 [J]
4. Wnioski:
....................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................
7
Wyznaczanie pracy wyjścia elektronów z metalu.
mA
V
mA
V
Wyszukiwarka