1. Подключить сетевой шнур устройства измерительного к сети и включить установку выключателем СЕТЬ на задней панели устройства (при этом на индикаторах В и мА, мкА, пФ должны установиться нули и светиться индикаторы ВАХ и ПРЯМАЯ).
Дать прогреться в течении 5 мин.
2. Устанавливая с помощью кнопок «+» и «_» значения напряжения через 0,05 В снять значения прямого тока через р-п переход (6 – 8 измерений). По окончании измерений нажать кнопку СБРОС.
Примечание: При достижении тока 10 мкА следует прекратить измерения, так как при этой величине источник питания р-п перехода переходит в режим ограничения тока.
3. Нажмите кнопку ПРЯМАЯ – ОБРАТНАЯ для включения режима подготовки данных для обратной ВАХ. При этом погаснет индикатор ПРЯМАЯ и будет светиться индикатор ОБРАТНАЯ.
4. Устанавливая с помощью кнопок «+» и «_» значения напряжения через 0,05 В снять значения прямого тока через р-п переход (6 – 8 измерений). По окончании измерений нажать кнопку СБРОС.
5. Устанавливая с помощью кнопок «+» и «_» значения напряжения через 0,05 В снять значения обратного тока через р-п переход (6 – 8 измерений). По окончании измерений нажать кнопку СБРОС.
6. Нажмите кнопку ВАХ – ВФХ для включения режима подготовки данных для построения вольфарадной характеристики. При этом погаснет индикатор ВАХ и будет светиться индикатор ВФХ. (Режим обратного включения).
7. Устанавливая с помощью кнопок «+» и «–» значения напряжения через 3 В снять значения ёмкости р-п перехода (6 – 8 измерений). По окончании измерений нажать кнопку СБРОС.
8. Отключить питание установки выключателем СЕТЬ на задней панели устройства измерительного
9. Данные измерений и вычислений занести в табл.1 и табл.2.
Таблица 1.
| Прямое включение | Обратное включение | К | ||||
| U + | I + | R + | U – | I – | R – | |
| В | mA | кОм | В | mA | кОм | |
Таблица 2.
| Обратное включение | |
| U – | С |
| В | пФ |
10. Построить графики характеристик исследуемого р-n -перехода.
11. Определить сопротивление р-n -перехода и коэффициент выпрямления для всех измерений.
12. Сделать вывод относительно изменения R и K с изменением напряжения.
6. Контрольные вопросы
1. Какие вещества называются полупроводниками? Как объясняется собственная проводимость полупроводников?
2. Как влияют примеси на электропроводимость полупроводников?
3. Объяснить образование р-n -перехода и его свойства?
4. Как подключить источник тока к диоду в прямом, в обратном направлениях? Что при этом происходит в р-n - переходе?
5. Почему ток в цепи при включении диода в проходном направлении больше тока в запорном направлении?
6. Какие внешние факторы изменяют проводимость полупроводника?
7. Почему при достаточно большом запорном напряжении обратный ток возрастает (см. участок аb на рис. 6)?
8. Что характеризует коэффициент выпрямления К? Как изменяется К с изменением напряжения?
9. Сравнить сопротивления R+ и R- при одинаковых напряжениях. Какие из них больше, почему?
10. Какие измерения и вычисления нужно проделать в данной работе?
11. Назначение двухполюсного переключателя.
Работа 69. Опыт Франка и Герца
Цель работы
Изучение зависимости анодного тока газонаполненной лампы (триода) от напряжения катод-сетка с максимумами и минимумами, характерными для опыта Франка-Герца, на экране осциллографа.
2. Приборы и принадлежности:
1. Измерительное устройство.
2. Датчик Холла и электромагнит.
Краткая теория
В 1913 году Н.Бор разработал теорию строения атома водорода и водородоподобных атомов (
…).
Основу теории Бора составляют два постулата.
1. Существуют такие стационарные состояния атома, в которых он не излучает энергию. Стационарными являются состояния, для которых момент импульса электрона кратен постоянной Планка.
ħ,
где ħ= 
называется постоянной Планка.
2. При переходе из одного стационарного состояния в другое атом излучает или поглощает квант энергии
.
Рассмотрим теорию строения атома водорода.
На электрон, движущийся в атоме вокруг ядра, действует кулоновская сила притяжения. Запишем второй закон Ньютона для электрона
или 
.
. (1)
Из формулы первого постулата Бора определим скорость
, (2)
Подставим ее в формулу (1)
, откуда
. (3)
Для атома водорода Z=1,
=0,53 
м,
=2,1 м, 
=4,8 м,
.
Полная энергия электрона в атоме равна сумме
,
Учитывая формулу (1) получаем
,
,
Подставим в формулу радиус орбиты, получаем:
- для водородоподобного атома 
- для атома водорода 
.
Энергия электрона отрицательна, т.к. он находится в атоме в связанном состоянии, n=1
=−13,55 эВ, 
= −3,39 эВ, 
=−1,5 эВ, 
.
Определим частоту излучения кванта энергии
,
,
Обозначим постоянную Ридберга для водорода:
, 
,
,
,
,
где 
постоянная Ридберга, 
,
.
Энергия излучения кванта света при переходе электрона с одной орбиты на другую в атоме водорода:
.
Исследования спектров излучения разреженных газов показали, что у каждого газа свой линейчатый спектр, состоящий из отдельных спектральных линий.
Швейцарский ученый И. Бальмер (1825—1898) подобрал эмпирическую формулу, описывающую все известные в то время спектральные линии атома водорода в видимой части спектра
, n=3,4,5,...,
где R '=1,10×107 м–1 — постоянная Ридберга.
Taк как n = c / l, то формула может быть переписана для частот:
(n=3,4,5,…),
где R=R'c= 3,29×1015 с–1 — также постоянная Ридберга.
| Рисунок 1 |
Спектральные линии, отличающиеся различными значениями п, образуют группу или серию линий, называемую серией Бальмера (рис.1).
В ультрафиолетовой серии находится серия Лаймана (рис.1):
, n =2,3,4,…
В инфракрасной области спектра были также обнаружены (рис.1):
Cерия Пашена 
, n=4,5,6…
Серия Брэкета 
, n=5,6,7,…
Серия Пфунда 
, n=6,7,8,…
Все приведенные выше серии в спектре атома водорода могут быть описаны одной формулой, называемой обобщенной формулой Бальмера:
,
где 
имеет в каждой данной серии постоянное значение, = 1, 2, 3, 4, 5, 6; 
принимает целочисленные значения начиная с +1.
В опытах Франка и Герца (1913г.) было подтверждено существование дискретных уровней.
Установка (рис. 2) состояла из вакуумной трубки, заполненной парами ртути (Р=113 Па).
| Рисунок 2 |
Электроны выходят из катода К и ускоряются сеткой С1. Между сеткой С2 и анодом А приложен задерживающий потенциал 0,5 В. В области между сетками электроны сталкиваются с атомами ртути. Если после столкновения электрон имеет большую энергию, то он преодолевает задерживающее напряжение и попадает на анод. При увеличении напряжения сила тока возрастает.
| Рисунок 3 |
Если атом при столкновении получает большую энергию, то может перейти в возбужденное состояние, а электрон теряет энергию и не доходит до анода. Сила тока резко падает. Второй минимум тока наблюдается, когда электрон сталкивается с двумя атомами ртути, а третий минимум получается при столкновении с тремя атомами (рис. 3).
Опыты показали, что атомы поглощают только дискретные порции энергии. Опыты подтвердили теорию Бора.
Описание установки
Принцип действия установки состоит в получении на экране осциллографа зависимости анодного тока Iа газонаполненной лампы (триода с подогреваемым катодом) от напряжения катод-сетка Uкс при фиксированном напряжении анод-сетка с последующим измерением напряжения в характерных точках.
В состав устройства входят объект исследования 1 (рис. 4) и устройство измерительное 2 (рис. 5). Объект исследования устанавливается в штативе и соединяется с устройством измерительным при помощи кабеля.
| Рисунок 4 |
| Рисунок 5 |
Объект исследования выполнен на базе манометрической лампы ПМИ-2, заполненной криптоном. Лампа помещена в металлический корпус, на основании которого имеется стойка для установки её в штатив.
Устройство измерительное выполнено в виде конструктивно законченного изделия. На передней панели корпуса расположены органы управления (рис. 5): ручки НАКАЛ 5, ГРУБО и ТОЧНО 6), табло индикации напряжения катод-сетка 7 и выходы для подключения осциллографа 8 и его синхронизации 9.
На задней стенке устройства измерительного расположены сетевой выключатель, сетевой шнур, предохранители, клемма заземления и разъем для подключения объекта исследования.
Установка работает следующим образом. С генератора пилообразного напряжения на объект исследования подаются импульсы амплитудой примерно 40 В. Кроме того на объект исследования подается также регулируемое напряжение накала Uн и запирающее напряжение Uзап, которые обеспечивают нормальный режим работы лампы. Анодный ток лампы Iа измерительным устройством преобразуется в напряжение пропорциональное току и подается на вход осциллографа. На экране осциллографа отображается зависимость Iа от напряжения Uкс.Устройство измерительное при этом формирует на экране осциллографа маркер, который можно перемещать по экрану осциллографа при помощи ручек ГРУБО и ТОЧНО.
При наведении маркера на интересуемые точки отображаемого графика, происходит совпадение опорного напряжения и мгновенного пилообразного напряжения, что позволяет измерять напряжение Uкс с помощью цифрового измерителя напряжения.