Меню

Определите ускоряющее анодное напряжение

Опыт франка и герца

Полный текст Вакансии Курсы Консультации

Лабораторная работа №3

ОПЫТ ФРАНКА И ГЕРЦА

Цель работы: изучение процесса возбуждения атомов инертного газа электронным ударом и измерение первого потенциала возбуждения.

Сущность опытов, проведенных Дж. Франком и Г. Герцем.

Эти опыты дали прямое доказательство существования дискретности атомных состояний, т. е. принесли экспериментальное подтверждение постулатов Бора.

Согласно первому постулату Бора атом может длительное время (по атомной шкале времени) находиться только в определенных, так называемых стационарных состояниях, которые характеризуются дискретными значениями энергии Е1, Е2, Е3, . В этих состояниях, вопреки классической электродинамике, атом не излучает.

Второй постулат (правило частот) гласит, что при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией Е2 в стационарное состояние с меньшей энергией Е1 происходит излучение кванта света (фотона) с энергией :

В 1925 г. за открытие законов столкновений электронов с атомами Джеймс Франк и были удостоены Нобелевской премии.

Идея опытов заключается в следующем. При неупругих столкновениях электрона с атомом происходит передача энергии от электрона атому. Если внутренняя энергия атома изменяется непрерывно, то атому может быть передана любая порция энергии. Если же состояния атома дискретны, то его внутренняя энергия при столкновении с электроном должна изменяться также дискретно — на значения, равные разности внутренней энергии атома в стационарных состояниях.

Следовательно, при неупругом столкновении электрон может передать атому лишь определенные порции энергии. Измеряя их, можно определить значения внутренних энергий стационарных состояний атома.

Принципиальная схема установки, примененной Франком и Герцем, представлена на рис. 1. В баллоне с парами ртути под давлением порядка 1 мм рт. ст. (»130 Па) имелись три электрода: К — катод, С — сетка и А — анод. Электроны, испускаемые горячим катодом вследствие термоэлектронной эмиссии, ускорялись разностью потенциалов U между катодом и сеткой. Величину U можно было плавно менять. Между сеткой и анодом создавалось слабое тормозящее поле с разностью потенциалов около 0,5 В.

Таким образом, если электрон, проходящий сквозь сетку, имеет энергию меньше 0,5 эВ, то он не долетит до анода. Электроны, долетевшие до анода, образуют анодный ток, доступный измерению.

На опыте исследовалась вольт-амперная характеристика (рис. 2). Оказалось, что при увеличении ускоряющей разности потенциалов U вплоть до 4,86 В сила анодного тока возрастает монотонно, проходит через максимум (4,86 В), затем резко падает и возрастает вновь. Дальнейшие максимумы наблюдаются при 2 ´ 4,86 В, 3 ´ 4,86 В и т. д.

Такой вид кривой объясняется тем, что первое возбужденное состояние атома ртути отстоит от основного по шкале энергий на эВ, и атомы действительно могут поглощать лишь дискретные порции энергии, равные этой величине. При энергии электронов, меньшей 4,86 эВ, они испытывают только упругие столкновения и передают атомам малую часть своей энергии (пропорциональную отношению массы электрона m к массе атома M, а т. к. m

Источник

ИЗМЕРЕНИЕ АНОДНОГО ТОКА

ИЗМЕРЕНИЕ УСКОРЯЮЩЕГО (ЗАДЕРЖИВАЮЩЕГО) НАПРЯЖЕНИЯ

На Рис. 5 показано подключение источника питания накала ИПН и источника анодного напряжения ИПА. Расположение контактов 0. 7 примерно соответствует их расположению на панели прибора. Напряжение ИПА приложено между линией «ОБЩ» (контакт «0») и контактом «6», однако оно не равно ускоряющему или задерживающему напряжению между анодом и катодом лампы. Отличия обусловлены следующими причинами.

Читайте также:  Напряжение ног при всд

1. Напряжение накала смещает потенциал катода на уровень j 3 относительно уровня линии «ОБЩ», который принят за начало отсчета потенциала. Для исключения этого смещения нужно измерять ускоряю­щее напряжение между контактами «3» и «6» (показано пунктиром).

2. Падение напряжения на анодном сопротивлении дает погрешность DUa = I a×R a. Эта величина легко вычисляется и учитывается при определении ускоряющего напряжения.

3. Падение напряжения на нити накала U нити = j 2 – j 1 порядка 1-3 В приводит к тому, что для электронов, вылетевших из разных участков нити, ускоряющие (задерживающие) напряжения различны. При измерениях с большими ускоряющими напря­жениями (десятки или сотни вольт) этой величиной можно пренебречь, что мы и сделаем при определении работы выхода электронов. Однако при изучении начальных участков вольтамперной характеристики с ускоряющими напряжениями в единицы или доли вольта, это явление полностью «замазывает» интересующий нас результат. В этом случае применяется им­пульсное питание нити накала.

Принцип импульсного питания состоит в том, что напряжение j 3, вырабатываемое ИПН имеет форму прямоугольных импульсов частотой около 1 кГц. Период колебаний Т разбит на два интервала длитель­ностью t – и t +. В течение времени t + напряжение j 3 создает ток нагрева катода, при этом j 3>j 4 и диод заперт, анодный ток равен нулю. В течение времени t_ напряжение на выходе ИПН и ток накала равны нулю. Потенциал всех точек катода при этом равен нулю, а ускоряющее напряжение точно равно j 4 и определяет анодный ток. В данной работе мы не будем применять импульсное питание.

Методика измерения анодного тока определяется типом измерителя. Мультиметр М-830В в режиме вольтметра имеет чувствительность от 0,1 мВ и входное сопротивление 1 МОм. Под­ключив мультиметр параллельно цепи R A 1+R A 2= 110 кОм, как показано на рис.6, получаем амперметр с разрешением от 1 нА, а подключив его параллельно R A 2=10 кОм (при этом контак­ты 4-5 нужно закоротить), получаем амперметр с разрешением 10 нА, причем показания прибора сразу дают падение напряжения U RA на анодном сопротивлении. Такое включение целесообразно при измерении токов от 0,01 до 10 мкА. В режиме амперметра мультиметр М830В имеет чувствительность от 0,1 мкА , а входное сопротивление R’ зависит от предела измерений и равно:

Источник



Построение вольтамперной характеристики диода и измерения его параметров

Лабораторная работа №1

Вольт-амперная характеристика и параметры вакуумного диода

Цель работы: Получить навыки построения вольтамперной характеристики диода и измерения его параметров.

1. Теоретическая часть

1.1. Эмиссия электронов с поверхности катода электровакуумной лампы

Разогретый катод обеспечивает возможность эмиссии электронов со своей поверхности в вакуумное пространство. Если на анод диода подать положительное напряже­ние по отношению к катоду, то под действием сил электрического поля электроны, эмитируемые катодом, будут перемещаться по на­правлению к аноду. Однако бла­годаря своему отрицательному заряду элек­троны, находящиеся в пространстве между катодом и анодом, создают поле, препятствую­щее движению электронов к аноду. На рис.1 по­казаны графики распределения потенциала и градиента потенциала для диода с плоскими параллельными электродами.

Читайте также:  Можно ли напряжение суммировать

Рис. 1. Распределение по­тенциала U и градиента потен­циала для диода с плоскими параллельными электродами, когда ток диода ограничен пространственным зарядом

Для за­данного напряжения анод — катод пространст­венный ток между катодом и анодом увеличи­вается только до тех пор, пока тормозящее поле не превышает ускоряющее поле анода. Ток анода определяется как температурой катода, так и напряжением анода (рис. 2, 3).

Рис. 2. Зависимость анодного тока лампового диода от напряжения на аноде при различных значениях температуры ( Т) катода

Рис. 3. Зависимость анодного тока диода от температуры катода при различных значениях напряжения на аноде Е

Максимальная мощность, которая может быть рассеяна анодом лампы, определяется скоростью отвода тепла от анода и максимально допустимой температурой анода. Максималь­ная температура анода ограничивается тремя факторами: количеством газа, выделяющегося из материала анода при высоких температурах, допустимой максимальной температурой стек­лянного баллона и температурой плавления материала анода. Анод отдает тепло излучением и теплоотводом по крепящим анод деталям.

1.2. Характе­ристика вакуумного диода

Свойства вакуумного диода полностью харак­теризуются графи­ком зависимости анодного тока от напряжения на аноде. Этот график называется вольт-амперной характеристикой диода. На рис. 4 изобра­жена вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода, используемого в качестве детектора сигнала и выпрямителя напряжения.

Рис. 4. Вольт-амперная характеристика типового диода

Различают статические и рабочие характеристики диодов. Наиболее просто снять статические характеристики лампы в ре­жиме постоянного тока. Под рабочей характеристикой диода понимают зависимость анод­ного тока I а от напряжения источника питания в анодной цепи Е a при наличии в ней сопротивления нагрузки R а(рис. 5). Так как U aи Е а в рабочем режиме друг другу не равны, то рабочая характеристика должна отличаться от статической. Построение рабочей характеристики осуществляют экспериментально, либо путём графического построения, если известна статическая характеристика и величина сопротивления нагрузки.

Рис. 5. Вакуумный диод с наг­рузкой в анодной цепи

Рис. 6. Статическая и рабочая характеристики диода

1.3. Параметры диода

Для того чтобы иметь возможность сравнивать свойства различ­ных ламп между собой и характеризовать лампу как элемент электри­ческой схемы, пользуются величинами, называемыми парамет­рами лампы. В зависимости от того, какие свойства лампы нуж­но охарактеризовать, различают электрические параметры, параметры механического, климатического, теплового режимов и т. д. Электри­ческие параметры в свою очередь можно подразделить на параметры, характеризующие:

— условия токопрохождения через лампу, например, крутизну характеристики,

— рекомендуемый режим работы лампы в схеме, например, напряжение накала, анодное напряжение,

— предельно допустимый электрический режим, например, предельно допустимую мощность, рассеиваемую анодом и т. п.

Основными параметрами лампы являются параметры, характеризующие условия токопрохождения. Для характеристики этих условий используются величины, представляющие собой отношение изменений токов в цепях электродов к изменениям потенциалов электродов. При этом могут сопоставляться изменения тока и потенциала как одного и того же, так и разных электродов.

Кроме этих основных величин в случае ламп с сетками в качестве параметров широко используются еще величины, сравнивающие действие изменения потенциале двух каких-либо электродов на значение тока в цепи того или иного электрода. У ламп, где имеется только два электрода параметры этого вида отсутствуют. Следует обратить внимание на то, что параметры, характеризующие условия токопрохождения через лампу, в отличие от параметров других видов являются величинами дифференциальными и поэтому обычно называются дифференциальными параметрами ламп.

Читайте также:  Какие напряжения возникают при кручении образца

К основным электрическим параметрам вакуумного диода относятся:статическое внутреннее сопротивление, динамическое внутреннее сопротивление, крутизна характеристики диода.

Анодное напряжение U а— это напряжение между анодом и катодом.

Анодный ток I а — это ток, протекающий в цепи анода.

Напряжение накала U н – лежит в пределах нескольких вольт, а для наиболее распространенных вакуумных диодов равен 6,3 В.

Допустимая мощность рассеяния на аноде Р а доп выделяется при бомбардировке его электронами и при разогревании анода до некоторой допустимой температуры. Превышение Р а доп может привести к расплавлению анода. Для современных анодов Р а доп колеблется в пределах от долей ватт до десятков ватт.

Максимальный анодный ток I a max огра­ничен током эмиссии катода, а также перегревом ка­тода и анода. Значения I a max обычно лежат в преде­лах от 0,01 до 1 А.

Максимальное обратное напряжение U обр max — это такое максимальное анодное напряже­ние обратной полярности, при котором еще не насту­пает пробой промежутка между анодом и катодом. Оно зависит от электрической прочности диода и ле­жит в пределах от десятков вольт до десятков кило­вольт.

Статическое внутреннее сопротивление диода R i определяется как

[Ом] , (1.1)

где U a – напряжение на аноде, В; I а – анодный ток, A .

Динамическое внутреннее сопротивление диода r i определяется как величина, обратная крутизне вольт-амперной характеристики в любой точке, или отношение приращения анод­ного напряжения к приращению анодного тока на рабочем участке характеристики

[Ом] при Т = const, (1.2)

где Т – температура катода.

Для выпрямительных ламп (кенотронов) его значения достигают порядка нескольких сотен Ом.

Крутизна характеристики диода. Крутизна характеристики Sопределяется, используя рис. 4 и в соответствие с выражением (1.2), как

. (1.3)

1.4. Построение нагрузочной прямой вакуумного диода

В реальных электрических схемах кроме диода имеется активная и реактивная нагрузка. Пример упрощенной электрической схемы включения вакуумного диода с активной нагрузкой в цепи анода представлена на рис. 5.

Уравнение, выражающее зависимость между напряжением и током представлено ниже:

где U a — падение напряжения на диоде; I a × R a — падения напряжения на сопротивлении R а ; E а — напряжение источника питания .

Значения U aи I а можно определить, если написать уравнение вольт-амперной характеристики и одновременно решить совместно уравнения (1.1) и (1.4).

Однако графическое решение этих двух уравнений проще. На рис. 7 изображена зависимость анодного тока от напряжения на аноде диода. Это график уравнения вольт-амперной характеристики диода.

Рис.7. Построение нагрузочной прямой на характеристике диода

Источник