Politechnika Częstochowska

Katedra Fizyki

Ćwiczenie nr 7

Temat: Wyznaczanie pracy wyjścia elektronów z katody lampy elektronowej.

Ćwiczenie wykonali:

Marcin Rokoszewski

Sergiusz Jowsa

I Zagadnienia teoretyczne.

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 /rys.1./.

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 jego 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 L_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 powierzchnie metalu, wybiegając na zewnątrz. Zjawisko to nazywamy termoemisją a elektrony w ten sposób wyzwolone z wnętrza metalu termoelektronami

E_k> L_w

,temperatura po przekroczeniu której warunek ten jest spełniony nosi nazwę temperatury termoemisji, jest ona dość wysoka np. dla wolframu 1800⁰C, dal cezu, strontu i baru 600⁰C. Badanie zjawisk termoemisji w próżni wykazuje, że liczba termoelektronów rośnie, i to bardzo silnie wraz ze wzrostem temperatury.

Wzrost ten określa prawo Richardsona; prawo to wyraża tzw. gęstość prądu emisji Is w zależności ot temperatury bezwzględnej T

I_s=AT^1/2e^-a/T

I_s oznacza natężenie prądu elektronowego emitowanego z 1 cm² powierzchni,

e - podstawę logarytmu naturalnego,

A-a - stałe określone dla danego metalu.

Równanie to określa wykładniczy wzrost natężenia prądu elektronowego, czyli taki sam wzrost liczby elektronów emitowanych z powierzchni metalu. Zjawisko termoemisji znalazło zastosowanie w najrozmaitszego rodzaju lampach elektronowych. Dioda jest to bańka szklana w której znajdują się dwie elektrody: katoda K i anoda A. katoda jest drucik metalowy nagrzewany do bardzo wysokiej temperatury za pomocą prądu elektrycznego. Anoda ma kształt cylinderka otaczającego katodę. Katoda pod wpływem temperatury emituje elektrony. Tworzą one naokoło drucika chmurę elektronową, która wkrótce po rozpoczęciu emisji zahamowuje, wskutek elektrostatycznego odpychania, dalsze wysyłanie elektronów. 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 zwanym anodowym.

Wybitny wpływ na przebieg prądu anodowego, przy stałym prądzie żarzenia ma napięcie anodowe, przyłożone pomiędzy anoda i katodą. Podwyższanie dodatniego napięcia przyłożonego do anody powoduje wzrost prądu anodowego do pewnego maksimum, nazywanego prądem nasycenia.

W celu wyznaczania charakterystyki emisji diody łączy się następujący układ:

W układzie tym napięcie źródła anodowego powinno być większe od napięcia nasycenia emisji. Po zamknięciu wyłącznika zmniejszamy stopniowo opór i odczytujemy wskazania mierników poczynając od zera. Ponieważ natężenie Ia rośnie bardzo szybko ze wzrostem Iż, zgodnie z prawem Richardsona, odczytań należy dokonywać bardzo starannie, otrzymane w ten sposób wartości nanosimy na papier milimetrowy i otrzymujemy charakterystykę emisji badanej diody.

---