Зависимость тока эмиссии от температуры. Определение работы выхода.

Эмиссионную способность материала катода характеризует плотность тока насыщения.

Зависимость плотности тока насыщения от температуры определяется формулой Ричардсона – Дешмена, выведенной теоретически на основе квантовой статистики:

(4)

где А - работа выхода электронов из металла, Т - абсолютная температура катода, С₁ -постоянная, которая для всех металлов с совершенно чистой поверхностью должна иметь одно и то же значение, k - постоянная Больцмана, k = 1,3807 10^-23 Дж/К. Аналогичная формула имеет место и для тока насыщения , определяемого на эксперименте

(5)

где , S – площадь поверхности катода. Логарифмируя обе части формулы (5), имеем:

Первое слагаемое в правой части для данного диода представляет собой постоянную величину, не зависящую от Т. Так как второе слагаемое изменяется с изменением Т очень медленно по сравнению с A/(kT), то с большой степенью точности можно записать:

(6)

где В – постоянная величина. Уравнение (6) представляет собой линейную зависимость логарифма тока насыщения от обратной величины абсолютной температуры катода 1/Т. Поэтому экспериментальные точки на графике зависимости от 1/Т должны хорошо укладываться на усредняющую прямую линию (рис.4). Величину работы выхода можно определить по модулю тангенса угла наклона этой прямой к оси обратных температур (оси абсцисс):

(7)

где

(8)

Рис. 4.

Следует иметь в виду, что величина определяется не путем непосредственного измерения угла на графике, а как отношение приращения логарифма тока насыщения к приращению обратной температуры . Обе эти величины определяются из графика (рис. 4). Для этого через экспериментальные точки проводится усредняющая прямая. На прямой выбираются 2 точки, (рис. 4) и определяются их абсциссы 1/T₁, 1/T₂ и ординаты: lnI_н1, lnI_н2, по которым определяются соответствующие приращения:

(9)

(10)

Полученные значения и подставляют в (8). В качестве точек 1 и 2 не следует брать крайние экспериментальные точки, так как при этом может возникнуть дополнительная погрешность, которая значительно уменьшается при проведении усредняющей прямой.

Для определения температуры катода используется зависимость его сопротивление катода от температуры по известному закону:

, (11)

или

(12)

где R_o – сопротивление катода при 0^оС, R – сопротивление при t ^оС, α – температурный коэффициент сопротивления материала катода. Из данной формулы по известной величине α и измеренным значениям R_o и R можно определить температуру по шкале Цельсия, а затем и по шкале Кельвина. Величина R определяется из отношения напряжения на катоде к току, протекающему по нему. Обе эти величины определяются путем прямых измерений. Величина R_o приводится в рабочей инструкции. Там же приведен график зависимости отношения R/R₀ от температуры по шкале Цельсия.

Задание

1. Используя рабочую инструкцию, ознакомится с экспериментальной установкой.

2. Установить значение напряжения на катоде U_k = 4 вольта. Когда ток катода стабилизируется, занести его величину в таблицу 1.

3. Снять зависимость анодного тока от напряжения на аноде (для указанных значений U_А). Результаты внести в таблицу 1.

4. Пункты 2,3 повторить для U_k =4,5; 5,0; 5,5; 6,0 Вольт.

5. Для каждого значения напряжения на катоде определить сопротивление катода R и отношение R/R₀. С помощью графика определить температуру катода Т по шкале Кельвина. Данные внести в таблицу 1.

6. Для каждого значения напряжения на катоде построить график зависимости I_A от U_A.

7. Для каждого значения напряжения на катоде определить обратную температуру 1/T. Данные внести в таблицу 2. Внести в эту таблицу значения токов насыщения (за величину тока насыщения принять величину I_A, соответствующую максимальной величине U_A). Определить значения натурального логарифма тока насыщения lnI_н и внести их в таблицу 2.

8. Построить график зависимости натурального логарифма тока насыщения lnI_н от обратной температуры 1/T. аналогичный рис. 4. Из графика определить величины и и по формуле (8) определить величину тангенса угла. По формуле (7) определить величину работы выхода в Джоулях. Полученное значение перевести в электронвольты.

Литература

1. Савельев И.В. Курс общей физики, т.3. – М.: Наука, 1987, с. 208 – 215.

2. Савельев И.В. Курс физики, т.2. – М.: Наука, 1989, с. 116 – 118.

3. Наркевич И.И., Волмянский Э.И., Лобко С.И. Физика. – Мн.: Новое знание, 2004, с. 325 – 335.

4. Трофимова Т.И. Курс физики. М.:ВШ, 2007, с. 191– 194.

5. Детлаф А.Я., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: ВШ, 2001, с. 243 – 246.