Книга: Электричество и магнетизм

1.  Механизм проводимости металлов. Причина электрического сопротивления

2.  Температурная зависимость сопротивления проводников, термический коэффициент сопротивления, его физический смысл, единицы измерения.

3.  Классическая электронная теория металлов и границы ее применимости.

4.  Сверхпроводимость.

5.  Собственная электропроводность проводников.

6.  Примесная электропроводность полупроводников.

7.  Понятие об энергетических зонах (зона проводимости, запрещенная валентная зона, энергия активации).

8.  Температурная зависимость полупроводников.

Литература, рекомендуемая к лабораторной работе:

10.  Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм.- М.: Высшая школа, 1983.

11.  Калашников С.Г. Электричество. – М.: Наука, 1977.

12.  Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2, Т. 3. – М.: Наука, 1977.

13.  Телеснин Р.В., Яковлев В.Ф. Курс физики. Электричество.-М.: Просвещение, 1970.

14.  Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.3. Электричество.- М.: Физматлит МФТИ, 2002.

15.  Иродов И.Е. Электромагнетизм. Основные законы. –М.- С.-П.: Физматлит Невский диалект, 2001

16.  Зильберман Г.Е. Электричество и магнетизм. – М.: Наука, 1970.

17.  Парсел Э. Курс физики Т.2 Электричество и магнетизм – М.: Наука, 1971.

18.  Рублев Ю.В., Куценко А.Н., Кортнев А.В. Практикум по электричеству. – М.: Высшая школа, 1971.

19.  Кортнев А.В., Рублев Ю.В., Куценко А.Н.. Практикум по физике. – М.: Высшая школа, 1965.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

ИЗУЧЕНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРОННОЙ   ЭМИССИИ

Цель работы:

Получить  вольт-амперную характеристику    диода   и проверить законы термоэлектронной эмиссии.

Идея эксперимента:

Для наблюдения термоэлектронной эмиссии в эксперименте используется  вакуумная лампа с двумя  электродами – катодом и анодом -  называемая вакуумным диодом.  При нагревании катода с его поверхности вылетают электроны.  При наличии разности потенциалов между катодом и анодом, в случае, когда потенциал анода выше, в цепи возникает электрический ток, называемый анодным, который зависит от температуры катода и разности потенциалов между электродами. При постоянной температуре катода сила анодного тока Iа возрастает с увеличением разности потенциалов между электродами. Однако, зависимость между силой тока Iа и разностью потенциалов Uа  не выражается законом Ома, а носит более сложный характер и подчиняется закону Богуславского-Ленгмюра, который можно записать в виде :

Ia = CUan                                                                                          (1)

Прологарифмируем это выражение. Получается линейная зависимость между величинами lgIa и lgUa:

lgJa=lgC+nlgUa                                                                                           (2)

Построив график зависимости lgIa=f(lgUa) , получим прямую линию для участка ab на рис. 1, угловой коэффициент которой равен n а отрезок, отсекаемый этой прямой на оси ординат, равен lgC.

Теоретическая часть

Явление термоэлектронной эмиссии

В атомах металлов валентные электроны слабо связаны с ядрами и, отщепляясь от своих атомов, свободно распределяются по всему объёму металла. Такие электроны называются свободными электрона­ми проводимости. Свободные электроны, находясь в состоянии бес­порядочного движения, вообще говоря, не могут выйти за пределы металла, так как их выходу препятствует электрическое поле, дей­ствующее в узкой области вблизи поверхности металла. Причины его возникновения таковы.

1. В результате теплового движения некоторые из свободных электронов выходят за поверхность металла, образуя электронное облако, которое препятствует дальнейшему выходу электронов. Пло­тность электронного облака очень быстро убывает по мере удаления от поверхности металла.

2. Случайное удаление электрона от наружного слоя приводит к    возникновению на поверхности   металла   индуцированного положи­тельного заряда, поэтому    между    электроном и металлом возникают кулоновские силы притяжения.

В результате у поверхности   металла   образуется   двойной элек­трический слой, поле    которого подобно полю плоского конденсато­ра, отрицательной обкладкой является электронное облако, а поло­жительной - поверхность    металла. Это поле   препятствует    выходу свободных электронов из металла.

Для вырывания электронов из металла должна быть совершена определённая работа, которая получила название работы выхода:

,                                                                    (3)

где e -заряд электрона, φ- поверхностная разность потенциа­лов. Работа выхода для различных металлов неодинакова и колебле­тся в пределах от I до 5 эВ.

При комнатных температурах лишь ничтожная часть электронов внутри металла имеет достаточный запас кинетической энергии, чтобы вырваться наружу. По мере повышения температуры число быстрых электронов возрастает, благодаря чему возрастает и число электронов, вырывающихся из металла. При достаточно высокой температуре  наступает заметное испускание электронов металлом.  Это явление носит название термоэлектронной эмиссии. Термоэлектронная эмиссия лежит в основе устройства электронных ламп. Простейшая электронная лампа представляет собой стеклянный баллон, из которого выка­чан воздух до давления порядка 1О-6 мм рт.ст. с впаянными двумя металлически­ми электродами - катодом  и анодом. Электрическое поле, образующееся между катодом и анодом, ускоряет электроны, вылетевшие из катода при его нагревании, что приводит к появлению анодного тока. Зависимость анодного тока Ia от анодного напряжения при по­стоянной температуре катода графически представлена на рис. 1. Эта кривая называется вольт-амперной, или анодной характеристикой двухэлектродной лампы. Как видно из графика, зависимость между током и напряжением в лампе не подчиняется закону Ома, а носит более сложный характер. При нулевом потенциале анода ток или очень мал или равен нулю. При увеличении положительного потенциа­ла на аноде ток возрастает (участок аб).

Ток насыщения   характеризует   эмиссионную способность катода, которая зависит от природы катода и его температуры. Он растёт с повышением температуры катода. Зависимость тока насыщения от температуры катода выражается формулой Ричардсона-Дешмена:

         ,                                     (4)

где А=6,02·105 А/м2К2  - постоянная, одинаковая почти для всех металлов, - площадь поверхности катода.

Плотность тока насыщения в соответствии с формулой 4 сильно зависит от температуры и работы выхода. Так, например, для чистой поверхности вольфрама при температуре 1000 К плотность тока  насыщения

ј≈ 1,3·10-11 А/м2,  та же поверхность вольфрама при температуре 3000 К даст плотность тока насыщения  ј≈ 1,1·105 А/м2. Как видно, повышение температуры от 1000К до 3000 К ведет к возрастанию тока насыщения в 1016 раз. Приведенные цифры показывают, что для получения заметного термоэлектронного тока  с вольфрамового катода его необходимо накаливать до очень высокой температуры.

С другой стороны, для целей практики очень важно, по возможности, снизить рабочую температуру катода электронной лампы, так как при этом уменьшается мощность, расходуемая на накал катода и увеличивается срок службы лампы. Поэтому в настоящее время наряду с катодами из чистых тугоплавких металлов (вольфрам, молибден) широко применяются катоды более сложного устройства.

Большое техническое применение получил оксидный катод. Он содержит металлическую подложку (керн), на которую нанесен слой окислов щелочноземельных металлов. Для накаливания катода через керн пропускают ток (катоды прямого нагрева) или нагревают катод при помощи вспомогательной металлической спирали (подогревные катоды). Для придания катоду высокой эмиссионной способности его подвергают дополнительной обработке (активирование), состоящей в том, что через электронную лампу при температуре катода около 1000 К в течение некоторого времени пропускают термоэлектронный ток.  При активировании катода на его поверхности возникает одноатомный слой положительных ионов щелочноземельного металла, который сильно понижает работу выхода и этим увеличивает эмиссионную способность катода.

При изготовлении оксидных катодов на керн сначала наносят углекислые соединения щелочноземельных металлов и затем прокаливают катод перед активированием в вакууме. При этом углекислые соединения разлагаются согласно реакции:

BaCO3↔BaO+CO2

и керн оказывается покрытым окислами.

Современные оксидные катоды отличаются высокими качествами. Их рабочая температура равна 1000 К, а иногда и ниже. Нормальная эмиссионная способность таких катодов достигает 104 А/м2. Для сравнения укажем, что рабочая температура вольфрамовых катодов лежит около 2400 К, а снимаемые с них термоэлектронные токи на практике не превышают 103 А/м2. При очень кратковременных токах (импульсы тока длительностью 10-6 -10-5 с) оксидные катоды способны давать эмиссию до 106 А/м2 и выше.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29