Электричество и магнетизм (стр. 10 из 24)

Таблица I

№	t, °C	Rпов, Ом	Rпон, Ом	<R>, Ом	R0, Ом	α, град-1

Таблица 2

№	t, °C	T, K	1/T, K-1	Rпов,Ом	Rпон, Ом	<R>, Ом	lnR

Контрольные вопросы

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 I_а возрастает с увеличением разности потенциалов между электродами. Однако, зависимость между силой тока I_а и разностью потенциалов U_а не выражается законом Ома, а носит более сложный характер и подчиняется закону Богуславского-Ленгмюра, который можно записать в виде :

I_a = CU_aⁿ (1)

Прологарифмируем это выражение. Получается линейная зависимость между величинами lgI_a и lgU_a:

lgJ_a=lgC+nlgU_a (2)

Построив график зависимости lgI_a=f(lgU_a) , 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 I_a 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).

По мере роста анодного напряжения всё большее число электронов достигает анода и, наконец, при определённом значении U_а^* все электроны, испускаемые катодом за единицу времени, попадают на анод, ток достигает своего максимального значения и почти перестаёт зависеть от напряжения - это ток насыщения I_нас.

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.