Исследование явления термоэлектронной эмиссии

 

 

Количество работников	Должность	Полная месячная зарплата	% полного рабочею времени, посвященный работе по проекту	Продолжитель-ность работы	Полная сумма	Имеющаяся сумма	Требующаяся сумма
	Установщик терминалов		100%	1 день	руб.		30000 руб.
	Координатор проекта	5000 руб. месяц	100%	12 месяцев	60000 руб.		60000 руб.
	Программист, работающий с терминалами	10000руб. месяц	100%	месяц	10000руб.		10000 руб.
	Водитель	700руб./2 ч.		2 часа		700 руб, стоимость труда, дарованная добровольцем

 

 

Министерство образования Российской Федерации

Новосибирский государственный технический университет

 

 

Проектная работа

«Терминалы-

быстрее и легче»

 

 

Выполнили: Алиева К.Т., Андреева В.В., Пароватова М.Е.

Факультет: ФМА

Группа: ЭМ-21,ЭМ-27

Преподаватель: Михеева А.В.

 

Новосибирск,

2013 г.

Исследование явления термоэлектронной эмиссии

Цель работы:

Определение эмиссионных параметров вольфрамового термокатода

Учебные задачи:

Задача 1. Построение и анализ вольт-амперной характеристики накала.

Задача 2. Определение температуры катода по его сопротивлению.

Задача 3. Определение температуры катода по мощности теплового
излучения.

Задача 4. Построение и анализ анодных вольт-амперных характеристик.
Определение токов насыщения диода.

Задача 5. Оценка эмиссионной постоянной и работы выхода электрона
с помощью формулы Ричардсона-Дешмана.

Приборы и принадлежности: Универсальный источник питания УИП, электронная лампа ГУ-4, вольтметры, миллиамперметр, амперметр,
реостаты.

Описание установки и методика эксперимента

В данной работе исследуется эмиссия электронов с поверхности вольфрамового катода вакуумной электронной лампы ГУ–4 . Катод прямого накала выполнен из вольфрамовой проволоки и имеет форму тонкой согнутой пополам прямой нити (площадь катода S = 0,05 см²). Анод имеет форму коаксиального с катодом никелевого цилиндра.

Цепь накала катода содержит: источник стабилизированного напряжения (блок питания БП и выпрямитель-стабилизатор напряжения СН), реостат R₁ и приборы для регистрации постоянного тока A₁ и напряжения V₁ накала катода. Катод нагревается током, температуру катода можно менять, регулируя с помощью реостата R₁ силу тока накала. Цепь анода включает: блок питания, реостат R₂ и приборы для регистрации анодного тока A₂ и напряжения V₂ между катодом и анодом. Анодное напряжение можно изменять с помощью реостата R₂, выполняющего функцию потенциометра.

Экспериментальная часть (выполнение измерений)

Учебная задача 1. Построение вольтамперной характеристики накала

Таблица 1а.

Результаты измерений и расчета параметров нити накала

Uн, В
Iн, А
R, Ом
T, К

 

Обработка экспериментальных данных и анализ результатов эксперимента

Учебная задача 2. Определение температуры катода по его сопротивлению

Основные учебные задания по данному этапу:

2. Для каждой пары значений тока и напряжения накала рассчитать в соответствии с законом Ома сопротивление разогретого катода: (1)

3. Для каждой пары значений тока и напряжения накала рассчитать температуру катода. Расчет основан на том, что сопротивление металлов существенно растет при повышении температуры. В этом случае для определения температуры поверхности катода применяется выражение: , (2) где R_o – сопротивление катода при нуле градусов Цельсия; a – температурный коэффициент сопротивления (принять равным 0,0048 К^–1 ). При расчетах сопротивление катода при нуле градусов Цельсия принять равным R_o = 0,33 Ом.

Сделать вывод о том, как зависит сопротивление металлического вольфрама от температуры.

4 зависимость температуры катода вакуумного диода от тока накала (рис. 2 б).

5. Оценить погрешность определения температуры катода. Учесть, что абсолютная ошибка T однократного определения температуры катода равна: , где D U и D I — инструментальные погрешности вольтметра и амперметра, которые рассчитываются по классу точности измерительных приборов.

Учебная задача 3. Определение температуры катода по мощности
теплового излучения

Расчет температуры в данном методе выполняется с помощью закона Стефана-Больцмана. Предполагается, что подводимая к катоду мощность тока накала расходуется, в основном, на его нагрев и рассеивается виде теплового излучения: . Приравнивая эти формулы, получаем для температуры поверхности катода выражение: _,. (3)

где а — коэффициент черноты излучателя; s — постоянная Стефана-Больцмана.

 

 

6. Для каждой пары значений тока и напряжения накала рассчитать удельную тепловую мощность тока накала и температуру катода по формуле (3). Площадь поверхности катода принять равной S_катода = 0,15 см². В интервале температур от 2200 К до 2700 К для расчетов может быть использовано взятое из литературных данных среднее значение коэффициента а_ср = 0,29. Результаты расчетов представить в таблице 1 б

Таблица 1б

Результаты измерений и расчета параметров катода

Uн, В
Iн, А
Р, Вт
T, К

 

Экспериментальная часть (выполнение измерений)

Учебная задача 4. Построение анодных вольтамперных характеристик.

Определение токов насыщения диода

Таблица 2 а

Результаты измерений анодного тока и напряжения при условии

U_н1 = 4,5 В (T₁ =)

 

UА, В

IА, мА

Таблица 2 б

Результаты измерений анодного тока и напряжения при условии

U_н2 = 5,5 В (T₂ =)

UА, В

IА, мА

 

Обработка экспериментальных данных

Построение анодных вольтамперных характеристик диода и их анализ

Основные учебные задания по данному этапу:

 

3. Выделить участок, который можно отнести к области насыщения тока. Определить соответствующие токи насыщения I_нас1 и I_нас2. Для этого на графиках выбрать прямолинейный участок и выполнить экстраполяцию на нулевое значение напряжения (рис. 4). Поскольку ток насыщения диода характеризует именно термоэлектронную эмиссию, то определенное из опыта значение тока насыщения можно приравнять току эмиссии I_насыщ = I_{эмиссии}

Сделать вывод: как зависит ток насыщения вакуумного диода от температуры накала.

 

 

4. Приняв площадь катода S = 0,15 см², рассчитать удельную эмиссию при различных температурах катода . (4)

1.
Для режима насыщения рассчитать максимальную мощность тока, выделяющуюся на аноде лампы и оценить количество электронов n, попадающих на анод в единицу времени при этих условиях: .

2. Рассчитать эффективность катода как отношение тока эмиссии к мощности тока, затрачиваемой на нагрев катода: . (5)

 

Учебная задача 5. Оценка основных эмиссионных параметров катода.
Расчет эмиссионной постоянной и работы выхода с помощью формулы
Ричардсона-Дешмана

Запишем основное уравнение для тока термоэлектронной эмиссии (формулу Ричардсона-Дешмана) для двух близких температур катода:

, . (6)

Так как Т ₁ @ Т ₂, то, положив предэкспоненциальный множитель постоянной величиной, разделив уравнения и прологарифмировав, получим выражение для расчета работы выхода электрона:

. (7)

Если температуры Т ₁ и Т ₂ близки друг к другу, то для определения эмиссионной постоянной справедлива приближенная формула:

. (8)

Основные учебные задания по данному этапу:

3. Рассчитать по формуле (7) работу выхода A_вых электрона из материала
катода.

4. Рассчитать по формуле (8) значение эмиссионной постоянной катода.

5. Сравнить полученные результаты с литературными данными и определить тип катода исследуемого вакуумного диода.

6. Используя найденные опытным путем значения эмиссионной постоянной и работы выхода электрона, записать эмпирическую формулу Ричардсона – Дешмана, с помощью которой для данного катода можно рассчитать плотность тока термоэлектронной эмиссии в интервале температур:

(9)

11. Сравнить определенное из опытных данных значение R_эм с теоретическим значением эмиссионной постоянной и вычислить коэффициент отражения Шотки:

. (10)

 

Учебная задача 6. Анализ режима пространственного заряда

 

При постоянной температуре катода зависимость силы тока через лампу I_А от напряжения на аноде U_А имеет вид, приведенный на рис. 5. На данной ВАХ режиму пространственного зарядасоответствует область I. В данном режиме работы лампы эмитируемые катодом электроны образуют распределенный в пространстве между катодом и анодом отрицательный объемный заряд. Поле этого заряда оказывает существенное влияние на токи в лампе. Этот участок ВАХ довольно хорошо согласуется с теоретически полученным законом «трех вторых»: , (11)
где g— коэффициент, зависящий от конструкции лампы и конфигурации электродов, его называют первеанс.

Если значение коэффициента g определено из опыта, то для этого режима работы можно рассчитать выходную проводимость лампы G_i и внутреннее дифференциальное сопротивление диода dR_i:

, (12)

 

Дополнительные учебные задания

4. На ВАХ, полученной при условии U_н2 = 5,5 В, выбрать три точки
в области пространственного заряда и, применив «закон трёх вторых»
(формула 11), определить три значения первеанса лампы. Полученные значения коэффициента усреднить и среднее значение первеанса двухэлектродной лампы g_ср использовать при последующих расчетах.

5. Для режима пространственного заряда с помощью закона Богуславского – Ленгмюра (формула 12) рассчитать выходную проводимость лампы G_i и внутреннее дифференциальное сопротивление диода dR_i.

6. Рассчитать удельный заряд электрона с помощью соотношения Чайлда – Ленгмюра.

 

 

Контрольные вопросы

Эмиссия электронов

1. Дайте определение и с помощью диаграммы энергетических зон поясните, что такое термодинамическая работа выхода электрона из металла.

2. Какие виды эмиссии электронов Вы знаете? В чем заключается явление термоэлектронной эмиссии?

3. При каком условии возникает существенная термоэлектронная эмиссия с поверхности металла?

4. Какое явление описывает формула Ричардсона-Дэшмана? Что можно подсчитать с ее помощью?

5. От чего зависит плотность тока термоэлектронной эмиссии с поверхности катода электровакуумного прибора?

6. Каким образом можно уменьшить работу выхода электрона из катода?

7. От каких факторов зависит число электронов, самопроизвольно покидающих катод электровакуумного прибора?

8. Что понимают под эффективностью катода? Каким образом можно повысить этот параметр?

9. Что понимают под коэффициентом отражения Шотки? Каким образом определяют этот параметр?

10. Какое эмиссионное явление получило название «эффекта Шотки»?

11. Дайте краткую сравнительную характеристику основных типов катодов.