Как найти температуру катода

Как найти температуру катода

Санкт-Петербургский
Государственный Университет Информационных Технологий, Механики и Оптики

Отчёт по

Лабораторной работе №6

«Определение термоэмиссионных характеристик вольфрама»

Выполнил: Зеленин Р.А

Группа:
1516

Санкт-Петербург

2009

Обработка результатов измерений

Задание 1.
Определение температуры катода.

Измеряя ток накала от
1.3 А до 1.7 А через каждые 0.1 А, измерим соответствующие значения напряжения
накала и занесём результаты в таблицу 6.1

Таблица 6.1

№

Iн,
А

Uн,
В

T,К

I0,
мА

x=1/T

y=ln(I0/T2)

1

1,3

2,4

2035,27

0,022

0,000491

-25,9612

2

1,4

2,8

2154,79

0,25

0,000464

-23,6449

3

1,5

3,2

2266,69

0,7

0,000441

-22,7166

4

1,6

3,6

2372,40

3,7

0,000422

-21,1427

5

1,7

4,2

2503,27

9,2

0,000399

-20,3393

Вычислим значения абсолютной температуры катода по формуле  и занесём их в четвёртую колонку таблицы 6.1.
где  –
постоянная Стефана-Больцмана;  –
степень черноты поверхности катода; площадь поверхности катода можно найти,
зная его длину l и диаметр d, по формуле:  .

Для исследуемого диода d=0.11 мм и l=32 мм.

Задание 2.
Исследование вольт-амперной характеристики

Установив ток накала 1,5 А и с помощью ручки регулировки
изменяя напряжение  от
-1 В до +110 В. Занесём измеренные значения тока и напряжения в таблицу 6.2.

Таблица 6.2

UA,
В

IA,
мА

10

0,65

20

0,76

30

0,8

40

0,81

50

0,81

60

0,81

70

0,81

80

0,82

90

0,82

100

0,82

110

0,83

Построим график зависимости

Вольт-амперная
характеристика

Задание 3.
Определение тока насыщения, работы выхода W и эмиссионной постоянной G.

Проведём измерения вольт-амперных характеристик только в
линейной области насыщения для шести различных напряжений 40…100 В. Результаты
измерений занесём в таблицу 6.3

Таблица 6.3

№

Iн=1,3 А

Iн=1,4 А

Iн=1,5 А

Iн=1,6 А

Iн=1,7 А

UA

IA

UA

IA

UA

IA

UA

IA

UA

IA

1

40

0,02

40

0,24

40

0,66

40

3,5

40

8,4

2

50

0,02

50

0,24

50

0,66

50

3,6

50

8,6

3

60

0,021

60

0,25

60

0,67

60

3,6

60

8,8

4

80

0,021

80

0,25

80

0,69

80

3,68

80

9,2

5

90

0,022

90

0,25

90

0,70

90

3,7

90

9,1

6

100

0,023

100

0,26

100

0,71

100

3,71

100

9,5

I0

0,022

0,25

0,7

3,7

9,2

Построим графики для линейной аппроксимации зависимости IA (UA) и найдём экстраполированные  значения
токов насыщения на основе формулы ,
где

 g= –
угловой коэффициент.

Запишем полученные величины внизу каждой колонки таблицы 6.3

 

Найдём А:

При х=0 Y=A=4,3032

Найдём B:

При y=0, x=7,05188*10-5

B=tg(a)=(4,3032)/(
7,05188*10-5)=-61022

Вычислим G

Вычисление W

W=-B*k=61022*1,38*10-23=8,042*10-19 Дж

W=8,042*10-19 /1,6*10-19≈5
ЭВ

 Расчёт погрешности

Погрешность
измерения Т

Проводим измерение погрешности на основе 1 эксперимента.

Погрешность
измерения G

Источник

ЛАБОРАТОРНАЯ
РАБОТА №
2.4

«ИЗУЧЕНИЕ
ЯВЛЕНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ

НА
ПРИМЕРЕ ЭЛЕКТРОВАКУУМНОГО ДИОДА»

Цель
работы:
определение температуры катода и работы
выхода электронов из катода.

Теоретическая
часть.

Термоэлектронная
эмиссия (ТЭ)
– испускание электронов нагретыми
твердыми (реже жидкими) телами. Для
большинства веществ ТЭ наблюдается при
температурах значительно выше комнатной
~ 2000-2500 К.

Явление
термоэлектронной эмиссии можно объяснить
с позиций современной теории о строении
металлов. Металл представляет собой
кристаллическое тело, в узлах
кристаллической решетки которого
расположены положительно заряженные
ионы. Между ионами находятся валентные
электроны, способные свободно перемещаться
внутри металла (электроны проводимости).
При нагревании металла скорость
электронов увеличивается и при высокой
температуре они приобретают большую
энергию и способны вылететь за пределы
проводника. После вылета электронов на
поверхности металла появляется избыточный
положительный заряд, который не дает
электрону далеко улететь.

Расстояние,
на которое удаляются электроны ~10-10
– 10-9
м. Вблизи поверхности металла существует
задерживающее электрическое поле,
количественно определяемое разностью
потенциалов Δφ. Чтобы преодолеть это
поле, электрон должен обладать
дополнительной энергией.

Энергия,
необходимая для выхода электронов за
пределы металла называется работой
выхода Aвых=qeΔφ.

Работа
выхода зависит от природы металла,
покрытия их поверхности и колеблется
в пределах нескольких электрон-вольт
(эВ) (1эВ=1,6·10-19
Дж).

Прибором,
с помощью которого изучается ТЭ может
служить электровакуумный диод.
Схематическое устройство такого диода
показано на рис. 2. Проволока из чистого
металла или покрытая слоем исследуемого
вещества (катод) окружена цилиндрическим
металлическим анодом и помещена в
вакуумный баллон (~10-6
Па).

Проволока
нагревается до определенной температуры
током накала. Нагретый катод испускает
электроны, которые образуют электронное
облако около поверхности катода. Основная
часть электронов не может совсем уйти
из катода, так как на них действует
кулоновская сила притяжения со стороны
катода. Электроны вылетают и снова
возвращаются на катод, так что
устанавливается динамическое равновесие.
Только наиболее быстрые электроны
достигают анода и создают слабый
начальный ток в отсутствии напряжения
на аноде.

Если
на анод подать положительное напряжение,
электроны будут притягиваться к аноду,
в цепи возникает ток и электронное
облако будет рассасываться. Величина
тока зависит от плотности электронного
облака (т.е. температуры катода) и от
величины положительного напряжения на
аноде. Если напряжение на аноде будет
такое, что каждый электрон, вылетевший
из катода попадет на анод, то величина
анодного тока будет зависеть только от
температуры катода, установится ток
насыщения Iнас.

Зависимость
тока диода от анодного напряжения
называется вольтамперной
характеристикой диода
(ВАХ).

Плотность
тока насыщения jнас
(ток с единицы площади поверхности
катода) зависит от температуры катода
T
и от работы выхода электронов из металла
Aвых

,

где
k
– постоянная Больцмана (k=1,38·10-23),
A
–постоянная.

Ток
насыщения пропорционален плотности
тока насыщения jнас,
поэтому формулу Ричардсона можно
записать

.

Логарифмируя,
получаем:

,

.

Таким
образом, зависимость

от

носит линейный характер (график – прямая
линия), а угловой коэффициент этой прямой
определяется работой выхода.

Измерение
температуры катода. В
диапазоне температур 300-2500 К сопротивление
катода линейно зависит от температуры

Rк=α(T-B)

гдеα
и B
постоянные величины, определяемые
свойствами металла, из которого изготовлен
катод. В нашей лабораторной работе B=50
K.

Измерив
сопротивление катода при комнатной
температуре T0

и
сопротивление Rк
при неизвестной температуре T
(температура изменяется током накала
катода)

,

где
Uк
– напряжение на катоде, U0
– напряжение на сопротивлении R0,

определяем
температуру катода по формуле:

.

Описание
установки.

Лабораторная
работа 47-1 выполняется на комплексе
ЛКЭ-4.

Передняя
панель комплекса выглядит следующим
образом:

Рисунок
5

Электрическая
схема:

Рисунок
6

Порядок
выполнения работы.

Задание
1.
Нахождение
сопротивления катода Rк0
при комнатной температуре.

  1. Регуляторы
    накала катода Uн
    и анодного напряжения Uа
    – в крайнее левое положение. Тумблер
    имп/пост
    –
    в среднее положение.
    Тумблер
    +100
    В/-2В –     в
    положение 100 В.

  2. Включить
    стенд в сеть.

  3. Желтым
    проводом соединить гнезда 3 и 5. Это
    будет соответствовать электрической
    схеме:

Рисунок
7

  1. Подключить
    нижний мультиметр

красный
провод – гнездо 6

черный
провод – гнездо 0´
(общий).

Установить
переключатель мультиметра

в положение 200 (200 В). Установить
регулятором анодного напряжения на
мультиметре Uа
≈60
В.

  1. Измерить
    падение напряжения U0
    на резисторе R0

красный
провод – гнездо 1

черный
провод – гнездо 0

Установить
предел измерения мультиметра в положение
200m
(мВ) и записать значение U0.

  1. Измерить
    падение напряжения на катоде Uк

красный
провод – гнездо 3

черный
провод – гнездо 2

Установить
предел измерения мультиметра в положение
200m
(мВ) и записать значение Uк.

  1. Повторить
    пункты 4-6 для напряжения на аноде Uа≈90
    В. Результаты записать в таблицу.

T0
= R0
= 5 Ом

Uа,
В

U0,
мВ

Uк,
мВ

Задание
2.
Измерения
для расчета работы выхода.

  1. Отсоединить
    нижний мультиметр:

–
вынуть из гнезда черный (2) и красный (3)
провода;

–
желтый провод снять;

–
регуляторы Ua
и Uн
в крайнее левое положение;

–
тумблер +100
В/-2В в
положение
«100 В»;

–
тумблер
имп/пост в
положение
«пост».

2.
Нижний мультиметр подключить для
измерения анодного напряжения Uа

черный
провод – гнездо 3

красный
провод – гнездо 5

Установить
предел измерения мультиметра

200 В.

Установить
регулятором Uа
максимальное анодное напряжение
Uа ≈ 80 В.

Вынуть
красный (5) и черный (3) провода из гнезд.

Внимание.
Регулятор Uа в
дальнейшем не вращать.

3.
Установить регулятором Uн
ток накала катода Iн
= 110 мА. Подождать 2 мин для установления
температуры катода.

4.
Верхний мультиметр подключить для
измерения анодного тока насыщения. Ток
насыщения измеряют в режиме вольтметра,
подключая мультиметр параллельно
участку RA1=100
кОм

красный
провод – гнездо 5

черный
провод – гнездо 4

Переключатель

– в положение 200m,
что соответствует 2 µкА (т.е. для получения
Jнас
показания вольтметра разделить на 100).
В дальнейшем, при переполнении
переключатель в положении 2000 m
(20 µкА) (т.е. для получения Jнас
показания вольтметра разделить на 100),
в положение 20 (200 µкА) (т.е. для получения
Jнас
показания вольтметра умножить на 10).
Записать значение тока насыщения Iнас
в таблицу.

5.
Нижним мультиметром измерить напряжение
U0
на сопротивлении R0.
Переключатель

в положение 2000 m
(мВ)

красный
провод – гнездо 1

черный
провод – гнездо 0

Записать
значение U0
в
таблицу.

6.
Нижним мультиметром измерить напряжение
на катоде Uк.
Переключатель

в положение 2000m
(мВ)

красный
провод – гнездо 3

черный
провод – гнездо 2

Записать
значение Uк
в
таблицу. Красный и черный провод вынуть
из гнезд 2 и 3.

7.
Изменяя ток накала регулятором Uн
до
135 мА с шагом 5 мА повторить п. 3-6.

8.
Результаты записать в таблицу.

Uа=

Iн
(мА)

U0
(мВ)

Uк
(мВ)

Iнас
(мкА)

110

115

120

125

130

135

Обработка
результатов измерений.

  1. Определить
    сопротивление катода Rк0
    при комнатной температуре, используя
    измерения задания 1 для двух значений
    по формуле

Значения
Rк0
должны отличаться не более чем на 3%.

  1. Используя
    результаты измерения задания 2, определить
    сопротивление катода Rк
    при разных токах накала

  1. Рассчитать
    температуры катода при разных токах
    накала по формуле

B=50
К для вольфрама с добавками

  1. Заполнить
    таблицу.

Uа=

Iн
(мА)

U0
(В)

Uк
(В)

Rк
(Ом)

T
(К)

Iнас
(мкА)

  1. Построить
    графики Iнас=
    f
    (T)
    и
    =
    f
    (1/T).

  2. Вычислить
    в электрон-вольтах (эВ) работу выхода
    Aвых
    из вольфрама по угловому коэффициенту
    прямой графика
    =
    f
    (1/T).
    Для этого тангенс угла наклона прямой
    нужно умножить на постоянную Больцмана
    (k=1,38·10-23).

Контрольные
вопросы.

  1. Что
    называется явлением термоэлектронной
    эмиссии?

  2. Почему
    на границе металла образуется двойной
    электрический слой, препятствующий
    вылету электронов?

  3. Что
    называется работой выхода электронов
    из металла?

  4. Объясните
    принцип работы вакуумного диода.

  5. Объясните
    качественный ход вольтамперной
    характеристики вакуумного диода.

  6. Почему
    при увеличении температуры катода
    увеличивается Iнас?

  7. Объясните
    методику нахождения температуры катода,
    сопротивления катода.

  8. Объясните
    методику нахождения работы выхода.

8

Соседние файлы в папке Лабы Физика 2 семестр

  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
Источник

Температура – катод

Cтраница 1

Температура катода в дуге с пятном ниже температуры поверхности электрода нормальной W-дуги, где катодное пятно занимает всю сферическую поверхность электродного стержня.
 [2]

Температура катодов определялась при помощи оптического пирометра с введением поправок на коэффициент излучения, который был нами определен для всех перечисленных гексаборидов путем сравнительного пирометрирования цилиндрических полых катодов, имеющих диаметр 2 мм, с узкой щелью в центральной части.
 [3]

Температура катода ( при атмосферном давлении) достигает 3000 С.
 [4]

Температура катода слишком высока. Это может вызвать не только диффузию в измененный слой, но и привести к испарению из катода одного или нескольких компонентов системы, имеющих в этих условиях достаточно высокое давление паров.
 [5]

Температура катода при сварке плавящимся электродом достигает 2400 С, анода – около 2600 С и дуги в ее центре 6000 – 7000 С.
 [6]

Температура катода может быть достаточна для начала термоэлектронной эмиссии с его поверхности. Высокая температура нагрева контактов приводит также к газовыделению материалов, из которых они изготовлены и, как следствие, к ухудшению вакуума.
 [7]

Температура катода в дуге с пятном ниже температуры поверхности электрода нормальной W-дуги, где катодное пятно занимает всю сферическую поверхность электродного стержня.
 [8]

Температура катода также может быть изменена лишь в узких пределах при данном типе катода, а выбор типа катода с возможно более низкой температурой весьма ограничен, тем более что наиболее широко используемый в приемно-усилительных лампах оксидный катод является наиболее низкотемпературным.
 [10]

Температура катода из торированного вольфрама может быть в пределах 1650 – 1750 К, а оксидного катода – равной 650 – 750 К. Использование катодов с низкой рабочей температурой практически предотвращает возникновение фотоэлектронной эмиссии сетки. Влияние же внешнего освещения устраняется, если заключить электрометрическую лампу в светонепроницаемый экран.
 [11]

Температура катода – при сварке плавящимся электродом достигает 2400 С, анода – около 2600 С и дуги в ее центре 6000 – 7000 С.
 [12]

Температура пленочного торцевого катода ( работа выхода 3 5 эд) составляет Т 1 750 К.
 [13]

Температуру катода и его эмиссионные свойства в основном определяет напряжение накала. Около 60 % обнаруживаемых дефектов ламп является следствием отклонений температуры катода от нормальной.
 [14]

Температуру катода обычно существенно снизить не удается, так как при этом ухудшаются другие параметры лампы. Однако в специальных малошумящих лампах все же стремятся уменьшить Тк. Радикальной мерой снижения Дш является повышение крутизны характеристики лампы. Для увеличения S стремятся приблизить управляющую – сетку к катоду и уменьшить ее таг.
 [15]

Страницы:  

   1

   2

   3

   4

Источник

Добавить комментарий