POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA

KATEDRA FIZYKI

TEMAT: POMIAR SZYBKOŚCI WYJŚCIOWEJ ELEKTRONÓW.

Ćwiczenie wykonane przez:

Rok , Gr II

Ciało stałe składa się z kryształów, które zdolne są do gromadzenia w pewnych swych pasmach elektronów - pasmo energetyczne. Dalsze stany energetyczne oddzielone są tzw. pasmem energii wzbronionych. Szerokość pasm wzbronionych oraz rozkład pasm energetycznych zależy od rodzaju ciała. W izolatorach szerokość pasma wzbronionego jest bardzo duża i praktycznie żaden elektron nie może przejść z wypełnionego całkowicie pasma tzw. walencyjnego, do pustego pasma przewodnictwa. W półprzewodnikach szerokość pasma wzbronionego jest znacznie mniejsza. W przewodnikach pasma energetyczne pokrywają się, a wypełnienie powstałego w ten sposób bardzo szerokiego pasma energetycznego zależy od właściwości metalu.

Na elektron umieszczony w obszarze pola elektrycznego i magnetycznego działa siła Lorentza :

F = e (E+V⋅B)

Składa się ona z trzech członów. Pierwszy pochodzi od działania pola elektrycznego o natężeniu E, a drugi od pola magnetycznego o indukcji B. Siła działająca na elektron w polu elektrycznym jest skierowana wzdłuż linii sił pola elektrycznego, a w polu magnetyczym prostopadle zarówno do kierunku linii sił indukcji magnetycznej B jak i do prędkości V. Na skutek działania siły Lorentza elektron w polu elektrycznym dostaje przyspieszenia. W lampach elektronowych istnieje zawsze pole elektryczne między anodą i katodą. Pole elektryczne przyspieszając elektron wykonuje pracę określoną wzorem L = eU_a. Praca ta zmienia się na energię kinetyczną elektronów . Po przebyciu różnicy potencjałów U_a prędkość elektronów określa się równością pracy i energii kinetycznej :

eU_a =

skąd

V = (1).

Elektrony mogą zostać wyrwane z powierzchni przewodnika pod wpływem pewnych czynników wewnętrznych jak: silne pole elektryczne (emisja polowa lub zimna), wysoka temperatura przewodnika (termoemisja), oświetlenie jego powierzchni (fotoemisja) oraz bombardowanie powierzchni przez inne cząsteczki.

Struktura atomowa metali różni się zasadniczo od struktury ciał stałych niemetalicznych. Przestrzeń zajęta przez metal wypełniona jest siecią dodatnich, prawidłowo rozmieszczonych jonów, między którymi znajdują się elektrony swobodne, oderwane od macierzystych atomów. Poruszają się one wewnątrz metalu swobodnie, jak cząsteczki gazu obdarzone energią kinetyczną E_K. Gdy metal ma temperaturę pokojową, nie mogą one jednak oderwać się od powierzchni; przyciągają je bowiem z powrotem dodatnio naładowane jony, a ich energia kinetyczna E_K jest za mała na to, aby wykonać pracę oderwania się od powierzchni metalu czyli, aby wykonać tzw. pracę wyjścia W_W. Dostateczne ogrzanie metalu zmienia sytuację; w określonej dla danego metalu temperaturze elektrony nabierają energii kinetycznej, wystarczającej do wykonania pracy wyjścia, i wówczas zaczynają opuszczać powierzchnię metalu, wybiegając na zewnątrz. Zjawisko to nazywamy termoemisją, a elektrony w ten sposób wyzwolone z wnętrza metalu - termoelektronami. Wynika z tego, że warunkiem termoemisji jest zachodzenie procesu E_K > W_W . Badanie zjawiska termoemisji w próżni wykazuje, że liczba termoelektronów rośnie i to bardzo silnie, wraz ze wzrostem temperatury. Wzrost ten określa prawo termoemisji, zwane prawem Richardsona , wyraża ono tzw. gęstość prądu emisji I_S w zależności od temperatury bezwzględnej T

I_S = AT^1\2 e^-a\T (2)

gdzie:

I_S - natężenie prądu elektronowego emitowanego z 1 cm² powierzchni ,

e - podstawa logarytmu naturalnego

A i a - stałe, określone dla danego metalu .

Równanie (2) określa wykładniczy wzrost natężenia prądu elektronowego, czyli tym samym wzrost liczby elektronów emitowanych z powierzchni metalu. Zjawisko termoemisji znalazło zastosowanie w lampach elektronowych. Podstawowe znaczenie mają lampy elektronowe takie jak dioda i trioda.

Dioda. Jest to bańka szklana jak najbardziej opróżniona z powietrza, w której znajdują się dwie elektrody: katoda K i anoda A. Katodą jest drucik metalowy nagrzewany do wysokiej temperatury za pomocą prądu elektrycznego. Anoda ma kształt cylinderka otaczającego katodę. Katoda rozżarzona przez dostatecznie silny prąd w obwodzie żarzenia, emituje elektrony. Tworzą one naokoło drucika tzw. „chmurę elektronową”, która wkrótce po rozpoczęciu emisji zahamowuje wskutek elektrostatycznego odpychania dalsze wysyłanie elektronów (stan równowagi dynamicznej). Gdy połączymy anodę z dodatnim, a katodę z ujemnym biegunem źródła napięcia, zwanego anodowym, wówczas „chmura elektronowa” będzie przyciągana przez anodę; elektrony mogą w dalszym ciągu opuszczać katodę i w ten sposób podtrzymują trwały przepływ prądu emisji lub inaczej, prądu anodowego I_a. Im wyższa jest temperatura katody, tym więcej elektronów dobiega do anody. Wykładniczy wzrost natężenia prądu anodowego, jaki obserwujemy w czasie podwyższania temperatury żarzenia katody, jest potwierdzeniem prawa termoemisji Richardsona. Wybitny wpływ na przebieg prądu anodowego, przy stałym prądzie żarzenia, ma napięcie anodowe, przyłożone między anodę i katodę. Podwyższanie dodatniego napięcia przyłożonego do anody powoduje wzrost prądu anodowego do pewnego maksimum, nazywanego prądem nasycenia I_n. Napięcie anodowe, po którego przekroczeniu otrzymuje się prąd nasycenia, nazywamy napięciem nasycenia U_n. Prąd nasycenia osiągnięty jest wówczas, gdy wszystkie elektrony emitowane przez katodę dobiegają do anody; dalsze podwyższanie napięcia U_a nie powiększa natężenia I_a,. Prąd nasycenia ma tym większą wartość, im większy jest prąd żarzenia I_ż. Przyłożenie do anody napięć ujemnych w wyniku zmiany biegunów źródła napięcia anodowego, powoduje całkowity zanik prądu anodowego; elektrony nie mogą opuścić powierzchni katody, gdyż ma ona teraz potencjał dodatni, a anoda ze swym potencjałem działa na nie odpychająco. Ten stan zaniku prądu nazywamy zablokowaniem diody. Efekt ten znajduje zastosowaniu w działaniu diody.

Tabela 1a

Uż [V]	Ua [V]	ΔUa [V]	Ve [m\s]	ΔVe [m\s]

Tabela 1b

	U
klasa miernika
zakres pomiarowy

3

---