Изучение распределения термоэлектронов по энергиям.

Функциональный модуль №9 (рис. 23).

1. На передней панели расположены: крепежный винт 1, табличка с названием работы, гнезда 2 для подключения источника питания, гнезда 3 для подключения вольтметра, регулятор напряжения на первой сетке лампы U_C 4, регулятор задерживающего напряжения между второй сеткой и анодом U_З (грубо) 5, регулятор U_З (точно) 6, переключатель для измерения анодного тока I_A и задерживающего напряжения U_З, тумблер 8 включения модуля, электронная лампа 9.

2. Схема устройства (рис. 24) состоит из электронной лампы с тремя сетками между анодом и катодом. В работе исследуется лампа с косвенным подогревом оксидного катода. Накал лампы питается переменным током от трансформатора ТР с выходным напряжением 6,3 В. питание сетки лампы, а также цепи регулировки задерживающего потенциала (R2, …)осуществляется от внешнего стабилизированного источника постоянного тока.

Сопротивление R1 служит для регулировки анодного тока лампы в отсутствии U_З. Сопротивления R2 и R3 (“грубо” и ”точно”) позволяют изменять задерживающий потенциал UЗ на аноде лампы с необходимой степенью точности. Сопротивление R4 = 200 Ом служит в качестве шунта для измерения анодного тока лампы.

(58)

Для изучения распределения термоэлектронов по скорости (энергиям) используется метод задерживающего потенциала. Электроны, вылетевшие из катода, образуют облако, в котором они распределены по скоростям в соответствии с функцией распределения Максвелла:

Некоторая часть электронов вытягивается из прикатодной области напряжением UC на первую сетку 11 лампы и затем ускоряется до энергии

(59)

где: Uy – напряжение между катодом К и второй сеткой 10.

При этом энергия всех электронов увеличивается на одинаковую величину, равную Ey много большую, чем начальная энергия термоэлектронов.

Анализ распределения ускоренных электронов по энергиям осуществляется методом задерживающего потенциала, для чего между второй сеткой и анодом лампы подается регулируемое задерживающее напряжение U_З и измеряется ток лампы I_A.

На анод подают только те электроны, энергия которых больше, чем работа электростатического поля по перемещению электронов от второй сетки к аноду, равная e U_З.

В соответствии с этим величина анодного тока при фиксированном ускоряющем напряжении будет изменяться в зависимости от величины задерживающего напряжения и зависимости Iа = f (U_З) будет иметь вид, изображенный на рис. 27.

Дифференцируя ее по U_З, получим распределение электронов по энергиям (кривая 2 на рис. 25).

Функциональный модуль №9 (рис. 23).

1. Тумблером 8 включить модуль №9.

2. Подсоединить источник питания и вольтметр приборного модуля №10 через разъемы 2 и 3 соответствующие обозначению полярности. Включить источник питания и установить на нем напряжение 10 В.

3. Переключить тумблер 4 в положение U_З. Установить с помощью переменных сопротивлений R и R (регуляторы 5 и 6) величину задерживающего потенциала U_З = 0.

4. Переключить тумблер 4 в положение I.

Регулятором 4 (U_C) установить ток анода не более 1,5 мА. При этом показания милливольтметра (мультиметра) должны соответствовать значениям U = (25 … 30) мВ, I_A = U/R_Ш (R_Ш = 20 Ом).

5. Через 10 минут после включения накала лампы снять вольтамперную характеристику с шагом 0,5 В. Для этого, изменяя U₃ через 0,5 В, в каждой точке измерить величины тока анода.

6. Определить величину U₃, при котором начинается заметное уменьшение тока анода (U₃ = (6,0 … 6,5) В).

7. Провести измерения на падающем участке вольтамперной характеристики с более высокой точностью. Для этого регуляторами 5 и 6 (“грубо” и ”точно”) измерить U₃ с шагом 0,1 В; при этом регистрировать ток анода.

Результаты измерений занести в таблицу.

Данные установки и таблица результатов измерений.

Сопротивление шунта для измерения анодного тока R_Ш = 20,0 Ом.

Таблица 16.

№ п\п					…	…	…	…
U3, В
U, мВ
IA, мА
dI/dU

U – падение напряжения на сопротивлении R_Ш.

Обработка результатов измерений.

1.

(88)

Рассчитать величину анодного тока по формуле:

2. Построить график зависимости I_A = f(U₃).

3. Произвести графическое дифференцирование зависимости I_A = f(U₃), то есть определить dI_A/dU₃ с соответствующим шагом.

4. Построить график зависимости dI_A/dU₃ = f(U₃).

5. Из графиков I_A = f(U₃) и (dI_A/dU₃) = f(U₃) определить значения задерживающих напряжений U₃₁, U₃₂, U₃₃ и соответствующие им токи I_A1, I_A2, I_A3, в точках, характеризующих распределение термоэлектронов по энергиям.

Рис.23.

Рис.24.

Рис.25.

Приложение 1.

Функциональный модуль № 1.

1. Диапазон изменения подаваемого напряжения источника
питания постоянного тока, В 0...12

2. Применяемая термопара: хромель-копель (Х-К).

3. Номинальное балластное сопротивление, Ом 0, 10

4. Длина капилляра, (справочное), мм 50...70

5. Радиус капилляра, (справочное), мм 0,35…0.7

6. Максимальный массовый расход воздуха, кг с^-1 5*10^-5 ± 5*10^-6

7. Пределы измерения уровней «едкости в коленах
U-манометра, мм, не более 0...400
Цена деления шкалы U-манометра, мм 1

8. Табличное значение удельной теплоемкости воздуха при постоянном давлении, Дж кг^-1К^-1 999

9. Относительная погрешность определения удельной теплоемкости
воздуха, % в пределах ± 20

Функциональный модуль № 2.

1. Объем рабочего сосуда, м , не более 7*10^-2

2. Пределы измерения уровней жидкости в коленах U-манометра, мм, не более 0...400

3. Цена деления шкалы U манометра, мм 1

4. Табличное значение отклонения теплоемкостей воздуха при постоянном давлении и постоянном объеме g=C_P/C_v 1,40

5. Относительная погрешность определения отношения теплоемкостей воздуха C_p/C_v, %. в пределах ±10

Функциональный модуль № 3.

1. Напряжение питания от сети переменного тока:
напряжение, В 220±22

частота, Гц 50±0,4

2. Максимальная мощность электрической печи, В А 140±10

3. Масса олова или сплава свинец-олово, г 50...60

4. Масса стальной ампулы, г 50...55

5. Время плавления олова или сплава свинец-олово,

мин., не более 7

6. Применяемая термопара: хромель-копель (Х-К)

7. Табличное значение удельной теплоты кристаллизации

олова Дж*кг^-1 59,6

8. Относительная погрешность определения удельной теплоты
кристаллизации олова, % в пределах ±10

Функциональный модуль № 4.

1. Длина вольфрамовой проволоки, мм 420±5

2. Диаметр вольфрамовой проволоки, мм 0,1

3. Температурный коэффициент сопротивления вольфрамовой
проволоки, (справочное), К^-1 (3,9...4,5)*10^-3

4. Максимальное значение напряжения, подаваемого на вольфрамовую проволоку, В 8±1

5. Номинальное значение балластного сопротивления для определения тока в проволоке, Ом 0,10

6. Внутренний диаметр стеклянной трубки, в которой находится
вольфрамовая проволока, мм 6,0

7. Масса воды, заливаемой в термостат, г, не более 600

8. Погрешность поддержания постоянной температуры термостата в опыте. К ± 0,5

9. Относительная погрешность измерения температуры вольфрамовой проволоки, %. ±2

10. Табличные значения коэффициента теплопроводности воздуха при различных температурах:

Таблица 1.

Т,К	æ * 10-3,Вт*м-1*К-1	Т,К	æ * 10-3,Вт*м-1*К-1
	24.8		27.6
	25.5		28.4
	26.2		29.6
	26.9		30.3

11. Относительная погрешность определения коэффициента теплопроводности воздуха, % в пределах ±15

Функциональный модуль № 5.

1. Длина капилляра, (справочное), мм 50...70

2. Радиус капилляра, (справочное), мм 0,35. ..0.70

3. Объем мерной емкости, л 1,66±0,05

4. Объем вспомогательной емкости, л 1.66±0.05

5. Площадь сечения мерной емкости, см 70±3

6. Пределы измерений уровнемера, мм 0. ..180

7. Цена деления шкалы уровнемера, мм водн.ст 1

8. Пределы измерения уровней жидкости в коленах U-манометра, мм, не более 0...400

9. Цена деления шкалы U-манометра, мм 1

10. Табличное значение коэффициента внутреннего трения воздуха

при 20 С, Па*с 181*10^-5

11. Относительная погрешность определения коэффициента внутреннего трения воздуха, в пределах ±15

Функциональный модуль № 6.

1. Напряжение для подсветки, В 12±1

2. Длина стеклянной цилиндрической колбы, мм 440±10

3. Пределы измерения линейки, мм 0...390

4. Цена деления шкалы линейки, мм 1

5. Внутренний диаметр колбы, мм 20

6. Рекомендуемый диаметр шариков, мм 2. ..3

7. Рекомендуемый материал шариков - свинец.

8. Рекомендуемая испытуемая жидкость - глицерин, касторовое
масло.

9. Рекомендуемый прибор для определения диаметра шарика микроскоп с диапазоном измерения 0 - 6,5 мм и абсолютной погрешностью измерения - ± 0,1 мм

10. Рекомендуемый прибор для определения времени падения шарика
в испытуемой жидкости - секундомер с абсолютной погрешностью ± 0,2 с.

11. Табличные значения коэффициента внутреннего трения жидкостей при различных температурах:

Таблица 2

t, C	h * 10-3, Па*с
Вода	Глицерин	Касторовое масло
	1,140
	1,004
	1,894
	0,801

12. Относительная погрешность определения коэффициента внутреннего трения жидкости, %, в пределах ± 10

Функциональный модуль № 7.

1. Диапазон изменения подаваемого напряжения источника питания постоянного тока, В 0...15

2. Применяемая термопара хромель-копель (Х-К)

3. Номинальное значение балланстного сопротивления

для определения тока в электрическом нагревателе, Ом 0,1

4. Вместимость калориметрического сосуда, м 3*10^-3

5. Масса нагреваемой части калориметрического

сосуда (справ.), кг 0,12 ... 0,18

6. Пределы измерения уровней жидкости в коленах

U-манометра, мм 0...400

7. Цена деления U-манометра, мм 1

8. Рекомендуемый прибор для определения времени
нагрева - калориметрического сосуда с воздухом - секундомер
с абсолютной погрешностью измерения не более, с ±0,2

9. Табличное значение удельной теплоемкости
термометрического стекла, Дж*кг^-1К^-1 850

10. Тепловое значение калориметрического сосуда
(справ.) Дж*К^-1 100 ... 150

11. Относительная погрешность определения значения
тепловых потерь калориметрического сосуда, ±15

12. Относительная погрешность определения теплового
значения калориметрического сосуда, % ±15

13. Табличное значение абсолютной температуры газа
при нормальных условиях, К 273,15

14. Относительная погрешность определения значения
абсолютной температуры газа в лаборатории, % ±10

Функциональный модуль № 8.

1. Материал пористой перегородки - войлок.

2. Средний диаметр пор перегородки, мм (5...10) • 10^-6

3. Максимальное избыточное давление воздуха,
создаваемое компрессором на входе в ячейку с пористой

перегородкой, МПа 0,8

4. Тип асинхронного двигателя компрессора 4ААМ56В4УЗ

5. Напряжение питания электродвигателя от сети
переменного тока, R 220 ± 22

частотой, Гц 50 ± 0,4

6. Применяемая термопара: хромель-капель (Х-К)

7. Абсолютная погрешность измерения разности температур Х-Х термопарой, К ±0,05

8. Пределы измерения избыточного давления

воздуха, МПа . - 0...0.8

9. Класс точности пружинного манометра 1
10. Табличные значения эффекта Джоуля-Томсона

для воздуха (Т = 298 К и Р = 0,1 МПа), К*МПа^-1 . 2.24

11. Относительная погрешность определения эффекта
Джоуля-Томсона, % ±20

Функциональный модуль № 9

1. Тип электронной лампы 6Ж11П

2. Номинальное значение сопротивления шунта для измерения анодного тока электронной лампы, Ом 20,0

3. Напряжение Uc, подаваемое на первую сетку

электронной лампы, В (25...30)*10^-3

4. Максимальное значение анодного тока Ia, A 1,5*10^-3

5. Отклонение анодного тока от установленного

значения в диапазоне задерживающего напряжения

из = (0...6) В, % не более ± 15

6. Критерии оценки распределения термоэлектронов
по энергиям:

минимальное значение задерживающего напряжения из , В 5 ± 0,5
максимальное значение анодного тока Iа , мА 1,2 ± 0,05

максимальное значение задерживающего напряжения из ,В 8,6 ± 0,5
минимальное значение анодного тока Iа , мА 0,0 ± 0,05

значение задерживающего напряжения в точке

перегиба функции Ia = f(U₃) U₃, В 7 ± 0,5

значение анодного тока в точке перегиба

перегиба функции Ia = f(U₃) Ia, мА 0,06 ± 0,05