312

Ćwiczenie Nr 312
Temat:
POMIAR PRĘDKOŚCI TERMOELEKTRONÓW METODĄ POLA
HAMUJĄCEGO.
I.
Literatura:
1. D.Halliday, R.Resnick, Fizyka, t.1, PWN, W-wa,
2. J. Hannel, Lampy elektronowe. WTN, W-wa 1968
3. Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki w politechnice, praca zbiorowa pod red.T.Rewaja,
PWN, W-wa 1978.
II. Tematy teoretyczne:
1. Zjawisko termoemisji, praca wyjścia, prawo Richardsona.
2. Prędkość termoelektronów, praca pola elektrycznego.
III. Metoda pomiaru:
Elektrony, które opuszczają wskutek zjawiska termoemisji katodę mają różne prędkości i
poruszają się w różnych kierunkach. Część z tych elektronów dociera do anody, dlatego
nawet bez przyłożenia do anody zewnętrznego napięcia przez lampę płynie pewien prąd.
Aby zatrzymać wszystkie elektrony, nawet te najszybsze, należy przyłożyć odpowiednio
duże napięcie hamujące między anodę i katodę lampy. Ujemny potencjał anody
wyhamowuje elektrony i w obwodzie anodowym przestaje płynąć prąd. Mierząc napięcie
hamujące możemy wyznaczyć maksymalną prędkość termoelektronów. Korzystamy przy
tym z faktu, że pole elektryczne musi wykonać pracę W  e  U aby zatrzymać
m  v2
elektrony o maksymalnej energii kinetycznej W 
. Prędkość termoelektronów
2
wyznaczamy z zależności:
vmax 
2  e  U max
,
m
e, m – ładunek i masa elektronu,
Umax – napięcie, przy którym zanika prąd anodowy
IV. Zestaw pomiarowy:
Dioda lampowa, amperomierz
prądu stałego (0-1,5A),
mikroamperomierz prądu stałego
(0-150μA), Woltomierz
uniwersalny (0-10V),
miliwoltomierz (0-1V), zasilacz
regulowany prądu stałego (010V/1A), zasilacz regulowany
prądu stałego (0-15V/50mA)
V.
Wykonanie ćwiczenia:
1. Połączyć układ według
schematu obok.
2. Włączyć zasilacz Z2 i
woltomierz Ua.
3. Potencjometrem zasilacza Z2
ustalić napięcie anodowe Ua na zero.
4. Włączyć zasilacz Z1 i amperomierz A.
Potencjometrem zasilacza Z1 ustalić maksymalny możliwy prąd żarzenia Iż.
Odczekać 1-2 minuty, aż ustali się temperatura katody.
Zapisać w tabeli wartości Iż oraz Uż.
Zapisać w tabeli wartość Ua oraz Ia.
Potencjometrem zasilacza Z2 zwiększać stopniowo napięcie hamujące Ua tak, aby
natężenie prądu anodowego zmieniało się Ia co 10μA. Notować w tabeli wartości tego
napięcia i natężenia prądu. Ostatni pomiar w serii musi odpowiadać natężeniu prądu
Ia=0μA, a odpowiadające tej wartości napięcie równe jest Umax.
10. Wyznaczyć niepewność pomiaru napięcia hamującego Umax. W tym celu zwiększyć
natężenie prądu Ia o 1 działkę (od 0 μA do 2μA), zanotować napięcie Ua1 i przyjąć
U  U a1
wartość U max  max
jako niepewność maksymalną tej wielkości.
2
11. Powtórzyć pomiary opisane w punktach 6 do 10 jeszcze trzykrotnie, zmniejszając
każdorazowo natężenie prądu żarzenia lampy o ok. 0,03A (pokrętłem zasilacza Z1)
i zmieniając natężenie prądu anodowego o mniej niż 10μA (np co 5μA lub co 2μA)
tak, aby uzyskać nie mniej, niż 5 punktów pomiarowych w danej serii.
12. Wyniki zebrać w tabeli, a pod tabelą zanotować niepewności pomiarów
bezpośrednich korzystając z klasy dokładności użytych mierników:
5.
6.
7.
8.
9.
Iż[A] =
Iż[A] =
Iż[A] =
Iż[A] =
Uż[V] =
Uż[V] =
Uż[V] =
Uż[V] =
Ua[V]
Ia[μA]
Ua[V]
Ia[μA]
Ua[V]
Ia[μA]
Ua[V]
Ia[μA]
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
Umax[V]
Δ Umax[V]
vmax[m/s]
T[K]
U ż  ...............; u (U ż ) 
U ż
3
 ..............;
I ż  ...............; u ( I ż ) 
U a  ................; I a  ...............
I ż
3
 ................
13. Obliczyć temperatury katody lampy dla danych prądów żarzenia korzystając ze
wzorów:
T[K ] 
RT  R0
 273K ;
  R0
R0  2;
RT 
Uż
;   0,0046 K 1
Iż
14. Określić niepewności wyznaczenia temperatury katody:
 T
u (T )  
 RT
2
 T

  u 2 ( RT )  

 R0
gdzie: u( RT )  RT 
2

  u 2 ( R0 )  T 

u 2 (U ż ) u 2 ( I ż )
.

U ż2
I ż2
1
RT  R0 2

R
 u 2 ( RT )   T

 R0
2


  u 2 ( R0 )


Przyjąć u ( R0 )  0,1
15. Wykreślić na wspólnym wykresie charakterystyki Ia = f(Ua).
16. Obliczyć wartości maksymalne prędkości termoelektronów dla wyliczonych
temperatur:
vmax 
2  e  U max
m
17. Przeprowadzić analizę niepewności pomiarowych dla vmax przyjmując, że wartości
ładunku elektronu e oraz masy elektronu m są dokładne (nieobarczone
niepewnością):
 v
u (vmax )   max
 U max
2

  u 2 (U max ) 

18. Sporządzić wykres zależności vmax(T).
e
 u (U max )
2  m  U max