1

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Фи з и ч е с к и й ф а к ул ь т е т

Кафедра общей физики

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ Часть 3. Электричество и магнетизм

Новосибирск, 2000

2

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5.1

Тема: Вакуумный диод. Определение заряда электрона по эффекту Шоттки. Опреде-ление работы выхода электрона по прямым Ричардсона.

Введение. В данной лабораторной работе рассматриваются физические процессы, протекающие в

вакуумном диоде. Вид вольт-амперной характеристики диода определяется термоэмиссией электронов из катода и движением эмиттированных электронов под действием электриче-ского поля к аноду. Анализируя вольт-амперные характеристики можно получить ряд физи-ческих параметров. При отрицательном анодном напряжении (движение электронов в тормо-зящем электрическом поле), например, можно определить контактную разность потенциалов между анодом и катодом. По положительному начальному участку вольт-амперной характе-ристики, описываемому законом трех вторых, определяется удельный заряд электрона. Об-ласть насыщения вольт-амперной характеристики используется для определения работы вы-хода электронов из катода методом прямых Ричардсона и заряда электрона по эффекту Шоттки. ЭВМ применяется в данной работе как для управления лабораторной установкой, так и для обработки результатов измерений.

Описание установки. Схема установки для снятия вольт-амперных характеристик вакуумного диода приве-

дена на рис. 1.

2Д3Б

ИМ

АЦП

ВР

ВР

КК

Камак-Крейт

Б5-49 Б5-43

IBM-PC

Принтер

Ra

R2R1

Рис.1

3

В качестве источников анодного напряжения и напряжения накала используются ис-точники постоянного тока Б5-49 и Б5-43 , управляемые от ЭВМ IBM PC через ВЫХОДНЫЕ РЕГИСТРЫ (ВР) в КАМАК - КРЕЙТЕ. Анодный ток измеряется 10-разрядным аналого-цифровым преобразователем АЦП-10 (АЦП). Результаты измерений отображаются на экра-не монитора ЭВМ. КАМАК-модуль КОНТРОЛЛЕР (КК) осуществляет связь между КАМАК - модулями, находящимися в КАМАК-КРЕЙТЕ, и ЭВМ IBM PC, а ИНДИКАТОР МАГИСТ-РАЛИ (ИМ) позволяет визуально контролировать работу модулей в КАМАК-КРЕЙТЕ.

Использование в работе вакуумного диода (2Д3Б) с вольфрамовым катодом прямого накала позволяет определять температуру катода по известной температурной зависимости удельного сопротивления вольфрама. Однако, в этом случае ток накала создает падение на-пряжения вдоль катода, и его потенциал относительно земли оказывается не равным нулю. Для того, чтобы средний потенциал катода был равен нулю, в катодную цепь включены со-противления R1 и R2. Анодное сопротивление Ra выбрано таким, чтобы измеряемые напря-жения соответствовали диапазону входных напряжений АЦП-10 (+ 5.12В).

Порядок включения установки и загрузки программы.

1. Включите питание стойки (черная кнопка на стойке внизу), ЭВМ IBM PC (тумблер сбоку)

и крейт (тумблер <POWER ON>). С гибкого диска, вставленного в дисковод, произойдет загрузка и запуск управляющей программы.

2. Предварительно убедившись, что вход АЦП и диод отсоединены от источников питания, включите источники питания Б5-43 и Б5-49. Ток источников питания должен быть уста-новлен: 300 mA для Б5-43 и 30 mA для Б5-49.

3. Перед началом измерений не забудьте собрать схему.

Работа с программой. Лабораторная работа выполняется с помощью программы DIOD, которая обеспечивает

управление установкой, занесение данных измерений в оперативную память ЭВМ, их обра-ботку, отображение в произвольном масштабе на экране дисплея и вывод графиков на печа-тающее устройство. Программа позволяет измерять зависимости анодного тока от анодного напряжения и температуры катода (вольт-амперные и температурные характеристики). Предусмотрено хранение в памяти ЭВМ десяти вольт-амперных и десяти температурных ха-рактеристик, включающих до 250 отдельных измерений каждая.

Программа DIOD работает в диалоговом режиме. Работа с программой не требует ка-ких-либо предварительных знаний о работе ЭВМ или по программированию. Все необходи-мые сведения об управлении программой содержатся в комментариях, выводимых на экран монитора ЭВМ и в данной методичке.

Итак, вначале необходимо произвести настройку КАМАК-АППАРАТУРЫ, т.е. сооб-щить программе правильные адреса (номера позиций) КАМАК-модулей, необходимых для выполнения работы. Номера позиций проставлены на передней панели КАМАК-КРЕЙТА. Программа проверит работоспособность каждого из модулей по указанному вами адресу и в дальнейшем будет управлять модулями, пользуясь этими КАМАК-адресами.

Внимание !!! Перед включением и выключением стойки или источников пита-

ния отсоедините провода накала диода 2Д3Б от источника Б5-43 и про-вода входа АЦП от схемы, иначе диод и АЦП могут выйти из строя!

4

Далее, нужно сделать КАЛИБРОВКУ АЦП и ПРОВЕРКУ работоспособности ТРАКТА:

ВЫХОДНОЙ РЕГИСТР ==> Ист.питания Б5-43 ==> АЦП Для правильной УСТАНОВКИ НУЛЯ в отсчетах АЦП нужно закоротить вход АЦП,

соединив между собой оба канала входа АЦП, и нажать <Enter>. Измеренное напряжение при этом должно быть равным нулю.

Подав с источника питания Б5-43 на вход АЦП напряжение +4В, убедимся, что АЦП откалибровано верно.

Затем проверим, как управляется источник питания Б5-43 ЭВМ IBM PC через ВЫ-ХОДНОЙ РЕГИСТР. Для этого установим на источнике питания напряжение 0В, тогда вы-ходное напряжение источника питания может управляться через выходной регистр с помо-щью программы. Программная директива ПРОВЕРКА ТРАКТА подает на источник питания через выходной регистр напряжения в диапазоне от 0 до 5.5В (Uвх) и считывает с АЦП, со-единенного с выходом источника питания, выходные напряжения (Uвых). Оба значения на-пряжения (Uвх и Uвых) отображаются на экране монитора в виде числовых значений и в ви-де графика. Если Uвх=Uвых, то все нормально, можно переходить к следующим директивам, указанным в меню.

При ИЗМЕРЕНИИ вольт-амперных и температурных характеристик каждая измеренная точка сразу отображается на экране монитора. Масштаб графика определяется программой автоматически по заданному режиму работы установки. По окончании измерения с помо-щью директивы ГРАФИКИ можно рассмотреть всю характеристику или любую ее часть в произвольном масштабе.

Директива ОБРАБОТКА позволяет по участку насыщения вольт-амперной характери-стики определить заряд электрона по эффекту Шоттки и рассчитать работу выхода электрона из вольфрамового катода методом прямых Ричардсона при обработке температурных харак-теристик.

Определение заряда электрона. Рост анодного тока после достижения точки насыщения называется эффектом Шоттки.

Плотность термоэлектронного тока выражается формулой:

−=

kTW

expATJ эф2e (1)

где W - эффективная работа выхода, T - температура катода, k - постоянная Больцмана, A - некоторая константа.

Внешнее электрическое поле уменьшает работу выхода электрона из катода: 21

23

эф EeÄW •= (2) Для нахождения численного значения используется следующая формула:

214

эф E10793ÄW •⋅= −, ; [ ] эвÄW эф = , [ ]смВE =

Подставляя (2) в (1) и переходя от плотности тока к пропорциональной ей величине - анодному току, получаем с учетом воздействия внешнего электрического поля:

( )

⋅=

−−=

kTÄWexpj

kTÄWW

expATI eэфэф2

e

⋅=

⋅= ⋅

kTEeexpj

kTÄWexpjI 2

12

3

eee

Измеряя токи I1 и I2, соответствующие двум напряженностям поля E1 и E2 на катоде, и взяв их отношение, получим

5

−⋅=

21

23

2

1

EElnkTeexp

II

Так как

22

21

2

1

IÄI1

III1

II +=−+=

то, полагая I1≈I2≈I, получим:

( ) ( ) ( )21

23

2IÄI1

2I1I

EElnkTelnln

−⋅== +

откуда

32

21

IÄI1

EE

kTe

−

⋅=

+ln

Учитывая, что напряженность электрического поля у поверхности катода

⋅

=

кrаr

к

a

lnr

UE

где aU - анодное напряжение, ar , кr - радиусы анода и катода, можно вычислить заряд элек-трона.

Определение работы выхода электрона. Плотность тока термоэлектронной эмиссии определяется формулой (1):

−=kTW

expATeJ эф2 (1)

где W- работа выхода, T - температура катода, k – постоянная Больцмана. После логарифмирования это выражение принимает вид:

T1

kWconstln 2T

ej •−=

Построив график зависимости

=

T1f

TIln 2

a

, где ea jSI ⋅= , S - площадь катода, получим прямую линию (прямую Ричардсона) с угловым коэффициентом W/k. При выполнении директивы ОБРАБОТКА программа выводит полу-ченные экспериментальные температурные характеристики диода в правильных координа-тах. Вам нужно выбрать диапазон аргумента 1/kT, то есть определить ту часть эксперимен-тальных данных, по которым методом наименьших квадратов программа проведет прямую Ричардсона и вычислит по углу наклона работу выхода W. Следует учесть, что максималь-ное напряжение накала диода 2Д3Б - 2,5В и, соответственно, максимальная температура ка-тода 2100 К.

6

Задание.

1. Сделать калибровку АЦП. 2. Получить несколько вольт-амперных характеристик для различных анодных напряжений и напряжений накала. Объяснить вид и различия полученных кривых.

3. Получить несколько температурных характеристик. Объяснить вид и различия получен-ных кривых.

4. Определить заряд электрона по эффекту Шоттки. Сравнить с табличным значением. 5. Определить работу выхода электрона из катода методом прямым Ричардсона. Объяснить отличие от табличного значения.

Справочные данные. Диаметр нити накала лампы 2Д3Б - 3102 −⋅ см Длина нити накала лампы 2Д3Б - 31. см Радиус анода - 2107 −⋅ см Литература. "Методы физических измерений." под редакцией Р. И. Солоухина.

7

ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ.

Отрезок бесконечной вольфрамовой нити длинной 1см и диаметром 1см. (Нить бесконеч-на в смысле отсутствия продольного теплоотвода. При пересчете к диаметру d (см) U делит-ся на d .)

T , °K U , 10-3 B 400 0,253 500 0,640 600 1,268 700 2,218 800 3,581 900 5,393 1000 7,749 1100 10,71 1200 14,34 1300 18,70 1400 23,85 1500 29,85 1600 36,73 1700 44,52 1800 53,28 1900 63,02 2000 73,75 2100 85,57 2200 98,40 2300 112,4 2400 127,5 2500 143,6 2600 161,1 2700 179,7 2800 199,5 2900 220,6 3000 243,0 3100 266,7 3200 291,7 3300 318,3 3400 346,2 3500 375,7 3600 406,7

Работа выхода для вольфрама 4,54 W = эв. Заряд электрона 19104660218921e −⋅= )(. Кл.

Данные взяты из справочника "Таблицы физических величин" под редакцией академика И.К.Кикоина, М. , Атомиздат , 1976.

8

КОММУТАТОР и АЦП-10

Назначение: Программно-управляемый КАМАК-модуль "Коммутатор и АЦП-10" предназначен для

коммутации и преобразования текущих значений входного аналогового сигнала в парал-лельный 10-разрядный двоичный код. Область применения: аппаратура для систем автома-тизации сбора, обработки данных и управления сложными экспериментами и процессами.

Управление модулем "Коммутатор и АЦП-10", т.е. запуск цикла преобразования АЦП, получение сигнала конца цикла преобразования, выбор и поиск канала, может осуществ-ляться через магистраль КАМАК-крейта от ЭВМ или через розетки, установленные на пе-редней панели модуля.

Технические данные:

1. Диапазон входных напряжений от плюс 5,115 до минус 5,125В. 2. Количество каналов - 16: 0-вой - контрольный ( ! -земля), 1 - 15-ый информационные (в

данной работе используются только 1-ый и 2-ой каналы). 3. Количество разрядов двоичного кода - 10. 4. Величина кванта преобразования 10 мВ. 5. Время установления сигнала на выходе фиксатора с погрешностью +10мВ при скачке

входного напряжения от 5В до минус 5В, а также от минус 5В до 5В не более 10 мкс. 6. Результат преобразования представлен в дополнительном коде. 7. Основная погрешность преобразования не более +0,1%. 8. Время преобразования не более 35 мкс. 9. Дополнительная температурная погрешность на 10 C +0,05%. 10. Входное сопротивление не менее 10 МОм. 11. Входной ток не более 100 мА. 12. Модуль выдерживает кратковременное входное напряжение +10В. 13. Токи потребления модуля от стандартного источника питания КАМАК не более 0,8А от

источника (6 + 0,15)В; 0,04А от источника (24 + 0,24)В; 0,05А от источника (минус 24 + 0,24)В;

Устройство модуля: Модуль представляет собой сменный блок шириной 17 мм (одна станция), в котором

закреплена печатная плата с навесными элементами. Назначение установленных на передней панели модуля элементов: • розетка START - для ввода сигнала запуска цикла преобразования АЦП по выбран-

ному каналу; • розетка END - для вывода сигнала конца цикла преобразования АЦП; • розетка SEARCH - для ввода сигнала поиска канала с последующим запуском АЦП; • розетка INPUTS - контакты розетки 1-15 - для ввода 1 - 15 аналоговых сигналов, кон-

такты 16-21 - выход 0В.

Связь модуля с магистралью КАМАК-крейта осуществляется с помощью соединителя, выполненного печатным способом на плате.

9

ВЫХОДНОЙ РЕГИСТР. Назначение. Программно-управляемый КАМАК-модуль "ВЫХОДНОЙ РЕГИСТР" предназна-

чен для приема из магистрали КАМАК-крейта 24-разрядного двоичного кода и переда-чи усиленного по мощности выходного сигнала во внешнее устройство. Применяется в системах сбора, обработки и передачи информации. Управление модулем ВЫХОДНОЙ РЕГИСТР осуществляется через магистраль КАМАК-крейта от ЭВМ.

Технические данные.

1. Количество разрядов регистра данных - 24. 2. Ток потребления не более 1A при питании РЕГИСТРА от источника постоянного

тока с напряжением 6+0,15В. 3. Уровни выходных сигналов при токе нагрузки 100мA:

"1" - от 0 до 0,8В "0" - не более 5В.

4. Нагрузочная способность по току у транзисторных ключей 100мA. 5. Управление занесением в РЕГИСТР и гашение - программное. 6. Коды выходных контактов розетки на передней панели РЕГИСТРА соответствуют

кодам, записанным в регистр данных. 7. Командные операции регистра:

!"перезапись кода из магистрали крейта в регистр данных !"гашение содержимого регистра данных !"чтение содержимого регистра данных

8. РЕГИСТР пассивный, запрос в магистраль крейта не вырабатывает. 9. Общие сигналы управления:

!"гашение регистра данных !"запрет командных операций. Устройство модуля. РЕГИСТР представляет собой вставной блок шириной 34,2 мм (две нормальные

станции), в котором закреплены две платы с печатным монтажом и навесными элемен-тами. При помощи печатной вилки может стыковаться с розеткой магистрали крейта. На передней панели расположена розетка для поразрядных выходов регистра данных через транзисторные ключи и вывода сигнала занесения. Интернет версия подготовлена на основе издания:

Физический факультет НГУ,2000

Лаборатория электричества и магнетизма НГУ,2000, http://www.phys.nsu.ru/electricity/