Sprawozdanie z ćwiczenia A-12.

Jacek Kuś Artur Gmaj	Zespół nr 6.
Wydział Elektryczny	Ocena z przygotowania:
Piątek 1415 - 1700	Ocena ze sprawozdania:
Data : 22-04-94	Zaliczenie:
Prowadzący: doc.dr Z. Zawisławski	Podpis:

Temat: Badanie właściwości statystycznych elektronów emitowanych z katody lampy próżniowej.

Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i działaniem lampy próżniowej oraz zbadanie zależności między ilością elektronów docierających do anody w zależności od napięcia hamowania anody. W doświadczeniu należy także zbadać wpływ temperatury katody na ilość emitowanych przez nią elektronów i porównać otrzymane wyniki ze statystycznym rozkładem Maxwella.

Podstawy fizyczne:

Dla gazu doskonałego ( gdzie można zaniedbać rozmiary cząsteczek oraz ich wzajemne oddziaływanie) można stosować zasady statystycznego rozkładu Maxwella. W myśl tych zasad możemy napisać dwie funkcje rozkładu względnej liczby cząsteczek według posiadanej przez nie energii:

prędkości:

gdzie:

N - liczba wszystkich cząsteczek

n- liczba cząsteczek posiadających daną energię lub prędkość

k - stała Boltzmana

m - masa cząsteczki

Jako przykład gazu doskonałego możemy traktować elektrony emitowane z katody lampy próżniowej. Przesłanką upoważniającą do takiego podejścia jest między innymi fakt, że koncentracja elektronów, które opuściły metal jest o 10 - 15 rzędów niniejsza niż elektronów w metalu, co pozwala na zaniedbanie oddziaływań między nimi.

W lampie próżniowej zachodzi zjawisko termoemisji czyli wysyłania elektronów pod wpływem nagrzania metalu. W wysokich temperaturach elektrony znajdujące się na wyższych poziomach energetycznych mogą pokonać siły wiążące je z metalem i wydostać się poza barierę potencjału na zewnątrz. Temperaturę katody można regulować poprzez zmianę natężenia prądu żarzenia.

Wykonanie ćwiczenia:

W celu zbadania zależności ilości elektronów docierających do anody lampy próżniowej od temperatury zbudowaliśmy następujący układ:

Badania przeprowadziliśmy dla 4 prądów żarzenia, a co za tym idzie dla 4 temperatur katody. Sprawdzaliśmy zależność natężenia prądu anodowego od przyłożonego napięcia hamowania. Na prąd anodowy składa się ilość elektronów jaka dociera do anody. Jeśli przyjmiemy, że elektrony termiczne spełniają rozkład Maxwella, to zależność między prądem anodowym a napięciem anodowym można zapisać:

Logarytmując stronami otrzymamy:

gdzie:

e - ładunek elektronu równy

k - stała Boltzmanna równa

Iao - prąd bez napięcia hamowania.

Zauważamy, że wykres zależności ln(Ia/Iao) od Ua, jest linią prostą, której współczynnik kierunkowy wynosi:

a =

Przekształcając otrzymujemy temperaturę żarzenia katody:

Współczynniki a dla poszczególnych temperatur otrzymujemy z wykresów.

Współczynnik a	Temperatura	I żarzenia
10,84 0,12	(1070 12)K	0,55A
11,84 0,21	(980 17)K	0,50A
11,77 0,23	(985 19)K	0,45A
14,42 1,64	(805 92)K	0,40A

Dyskusja błędów:

Dokonane przez nas obliczenia temperatury żarzenia katody są obarczone błędami, które wynikają z:

- niedokładności przyrządów pomiarowych;

- z założenia, że emitowane elektrony zachowują się jak gaz doskonały.

Współczynniki kierunkowe a oraz ich błędy zostały wyznaczone metodą najmniejszych kwadratów. Obliczyliśmy je stosując wzory:

średnie odchylenia standardowe obliczyliśmy stosując wzór:

gdzie:

Mając a i średnie odchylenie standardowe Sa obliczyliśmy metodą różniczki zupełnej błąd z jakim została wyznaczona temperatura:

Wnioski:

W ćwiczeniu badaliśmy zależność prądu anodowego od napięcia hamującego, dla różnych temperatur katody. Stwierdziliśmy, że wartość prądu anodowego (Ia) maleje wraz ze wzrostem napięcia hamującego (Ua), co przedstawiają dołączone wykresy. Ponieważ wartość Ia zależy od ilości elektronów docierających do anody wnioskujemy, że elektrony emitowane z katody mają różne energie a co za tym idzie prędkości. Rozkład ich energii (prędkości jest zgodny z teoretycznym rozkładem Maxwalla. Pozwala to na obliczenie temperatury żarzenia katody, co przedstawia tabela. Zgodnie z powyższym rozumowaniem wraz ze wzrostem prądu żarzenia (Iz) powinna rosnąć temperatura katody. Doświadczenie wykazało poprawność tej tezy, poza jednym pomiarem. Błąd ten mógł wynikać z faktu, że po poprzednich pomiarach katoda nie została ostudzona do temperatury otoczenia.

Uzyskane przez nas wyniki mogą być obarczone stosunkowo dużym błędem ponieważ używane przyrządy w niewielkim stopniu były zabezpieczone przed wpływem czynników zewnętrznych na dokładność pomiarów. Aby wyeliminować te niedogodności należało by zekranować przyrządy pomiarowe i doprowadzone do nich przewody. W tym celu mikroamperomierz musi być osłonięty aluminiowym ekranem o grubości ścianek co najmniej 2mm. Ścianki ekranu powinny być zawijane i zgrzewane na rogach by zapewnić maximum kontaktu. Cała obudowa powinna być uziemiona aby zapobiec gromadzeniu się ładunku. Przewody doprowadzające prą do mikroamperomierza powinny być zekranowane podwójnie. Zewnętrzna warstwa ekranu musi być zwarta z ekranem przyrządu, a wewnętrzna podłączona do przewodu zerowego amperomierza.

Sprawozdanie z ćwiczenia B-12 strona 5

---