E9. BADANIE ZJAWISKA TERMOEMISJI ELEKTRONÓW

Transkrypt

1 E9. BADANE ZJAWSKA TERMOEMSJ ELEKTRONÓW orcowł Bożn Jnow-Dmoch Zjwio trmicznj miji ltronów olg n uwlniniu ltronów z owirzchni ngrzngo cił tłgo lub ciłgo. Klycznym rzyłdm trmomiji jt mij ltronów z ngrzngo mtlu. Jt on wyorzytywn w lmch ltronowych orz w wilu urządznich z żrzoną todą. W tmrturch wyżzych od zr bzwzględngo (-7 0 C) żdy mtl w oób ciągły mituj ltrony. Liczb ltronów, orz rędość z ją ą mitown, wzrt ilni wrz z wzrotm tmrtury. Mchnizm trmomiji możn wyjśnić wyorzytując modl gzu ltronowgo. Modl tn jt wilim urozcznim rzczywitości, l w wilu rzydch zdumiwjąco dobrz oiuj włściwości mtli. Mtl mją budowę olirytliczną, tzn. łdją ię z wilu młych ryztłów o rzydowj orintcji rztrznnj. Pwn liczb ltronów wlncyjnych w ici rytlicznj mtlu jt wóln dl wzytich tomów i mogą ię on wobodni rzmizczć ię w mtril z rędościmi zlżnymi od tmrtury. Poruzjąc ię bzłdni ltrony zdrzją ię z dodtnimi jonmi ici rytlicznj. Eltron, tóry docir do owirzchni mtlu ni moż go ouścić, oniwż odlg dziłniu ilni rzyciągjącj iły jonów. Gdy rośni tmrtur mtlu ltrony oruzją ię corz zybcij. Nitór z nich mogą uzyć t dużą rędość, tór ozwoli oonć rzyciągni jonów i umożliwi uciczę z mtlu. W tmrturz oojowj liczb tich ltronów jt zniomo mł. W rzydu miji ltronów z mtlu do różni trumiń ltronów zczyn być znczący doiro dl tmrtur owyżj 1000 K. Njmnijz nrgi, ją mui oidć ltron by móc ouścić mtl, jt nzywn rcą wyjści. Wrtość rcy wyjści zlży od rodzju mtriłu tody i czytości jgo owirzchni. Ktody dwnijzych lm ltronowych były wyonn z wolfrmu. Prc wyjści ltronów z wolfrmu jt wyo i wynoi 4,5 V. Szrg mtli m mnijzą rcę wyjści n. dl czu wynoi on tylo 1,6 V. Przwgą wolfrmu jt wyo tmrtur tonini. Włóno wolfrmow rcuj w tmrturz ooło 000 K. nn mtl zybcij ulgną toiniu niż ddzą odowidnią miję. Dodni do wolfrmu niwilij ilości, o. 1%, toru zmnijz rcę wyjści do,6 V i tmrturę rcy do o K. Więzość bzośrdnio żrzonych lm m tody torown. Jzcz mnijzą rcą wyjści, wynozącą o. 1,5 V, chrtryzują ię tody tlnow, bo owirzchni mtlu (njczęścij nilu) orytgo tlnim bru, lub trontu, jt wrtwą ółrzwodniową tyu n, tzn. oidjącą ndmir ltronów. Ktody tlnow rcują w tmrturz o K. Lmy ltronow zotły już niml cłowici wyrt rzz lmnty ółrzwodniow, l nitór tyy lm ą ndl toown w gnrtorch i wzmcniczch ygnłów o brdzo wyoij czętotliwości lub dużj mocy. Cl Clm ćwiczni jt zbdni zjwi trmomiji ltronów rzz: wyznczni chrtrytyi rądowo-nięciowj diody różniowj z todą tlnową; ztoowni wzoru Richrdon do wyznczni tmrtury rcy tody tlnowj; wyznczni nięci onttowgo;

2 rwdzni wzoru Lngmuir. Wymgni Przwodnictwo ltryczn mtli: gętość rądu, rędość unozni. Prwo Ohm i rw Kirchhoff. Mirooow otć rw Ohm. Rodzj miji ltronowj, rc wyjści ltronu z mtlu. Zjwio Richrdon. Budow diody różniowj, chrtryty rądowo-nięciow diody, wzór Lngmuir, nięci onttow między nodą i todą. Potncjł hmowni ltronów. Litrtur A.J. Pointon, D. Elwll, Fizy dl inżynirów, PWN C. Kittl, Wtę do fizyi cił tłgo, PWN H. bch, H. Lüth, Fizy cił tłgo, PWN K. Zboińi, Lbortorium z fizyi, Libr S. Szczniowi, Fizy doświdczln, tom, PWN Oi ułdu Diod jt njrotzą lmą ltronową. W bńc zlnj (lub ojmniu mtlowym), w tórj wytworzono wyoą różnię, ztoion ą dwi ltrody tod i nod. Ktod łni rolę mitr ltronów, zś nod łuży do zbirni wymitownych rzz todę ltronów. Aby wywołć trmomiję todę odgrzw ię ltryczni. Ktod lmy moż być żrzon bzośrdnio lub ośrdnio. W todch żrzonych bzośrdnio druci tody rozżrz ię o rzuzczniu rzz nigo rądu ltryczngo. Ktod żrzon ośrdnio jt mtlową rurą, njczęścij orytą wrtwą tlnu, odgrzwną z omocą umizczongo wwnątrz i odizolowngo od nij grzjni. Liczbę ltronów mitownych z mtlu od wływm cił w jdnotc czu, rzydjących n jdnotę owirzchni nzywmy gętością rądu trmomiji. Gętość tgo rądu oiuj wzór Richrdon: j CT W x (1) gdzi C jt tłą zlżną od rodzju mtriłu i od gomtrii mitującj owirzchni, T jt tmrturą mtlu w li Klwin, W jt rcą wyjści ltronów z mtlu, B jt tłą Boltzmnn. Równni to wzuj n brdzo zybi wzrot gętości rądu trmomiji wrz z wzrotm tmrtury. Pod niobcność zwnętrzngo ol ltryczngo w otoczniu rozgrznj tody tworzy ię łdun rztrznny w otci chmury ltronowj, tór jt w tni równowgi trmodynmicznj z todą. Eltrony ą cły cz mitown z tody, l część ltronów jt zwrcn z owrotm do tody rzz dodtni otncjł tody względm chmury. Część ltronów, o odowidnim irunu i nrgii, docir do nody i wówcz w obwodzi nodowym diody łyni niwili rąd. Liczb ltronów w łdunu rztrznnym jt rtyczni tł w dnj tmrturz. Nięci nodow rzyłożon do ltrod lmy m ogromny wływ n rzbig rądu nodowgo. Zlżność ntężni rądu trmomiji od nięci między nodą i todą nzywmy chrtrytyą diody. Tyow ztłty chrtryty rzdtwi ry.1.

3 N chrtrytyc diody możn wyróżnić trzy obzry. Obzr, czyli rądu oczątowgo, objmuj część rzywj dl ujmnych nięć nodowych. Ujmn nięci hmuj ltrony i zwięz brirę nrgtyczną, tórą muzą oonć mitown z tody ltrony od wrtości W dl U 0 do W W U dl U 0. Dl lm z todą tlnową, w tórych nod i tod ą wyonn z mtriłów o różnj rcy wyjści, między ltrodmi ojwi ię dodtow różnic otncjłów zwn, onttową różnicą otncjłów U W W U () gdzi W jt rcą wyjści ltronów z tody, zś W jt rcą wyjści ltronów z nody. Poniwż W W, to U < 0 i brir nrgtyczn wzrt W W U U, bo rzczywit wrtość nięci między nodą i todą jt wtdy równ umi nięci rzyłożongo U i nięci onttowgo U.. Ntężni rądu nodowgo w tym obzrz oiuj równni Richrdon: j S CT W S x CT W U U S x U U x x () gdzi S jt owirzchnią tody, C jt tłą mtriłową, zś W CT S x jt rądm nycni, zrówno U, j i U, ą mnijz od zr. Gdy nięci nodow U = 0, to ntężni rądu nodowgo jt równ U 0 x (4) i wzór Richrdon możn zić w otci: U 0 x (5) W obzrz, j wyni z wzoru Richrdon, ntężni rądu nodowgo nrt onncjlni z wzrotm nięci nodowgo. Logrytmując równni (4) otrzymujmy liniową funcję nięci nodowgo U, czyli ln U, (6) 0 b Ry.1 Chrtryty rądowo-nięciow diody: ) z todą z czytgo mtlu, b) z todą tlnową U

4 4 tórą wyorzytmy do wyznczni tmrtury tody. W obzrz ntężni rądu nodowgo jt ogrniczon łdunim rztrznnym. Gętość objętościow łdunu rztrznngo ni jt tł im bliżj owirzchni tody tym więz jt gętość ltronów w łdunu rztrznnym. Gdy nięci U 0 jt mł, to dził tylo n zwnętrzną wrtwę łdunu o młj gętości ltronów i rąd nodowy rośni owoli. Zwięzni nięci owoduj rzyizni ltronów z corz głębzych wrtw łdunu rztrznngo i corz więcj ltronów docir do nody. Ntężni rądu nodowgo w tym obzrz oiuj równni Lngmuir, zwn równiż rwm trzch drugich C U (7) gdzi C jt zwn rwncją i jt tłą dl dnj diody zlżną od gomtrii ltrod. Zuwżmy, ż w tym obzrz ntężni rądu nodowgo wzrt otęgowo w mirę wzrotu nięci nodowgo. W więzości ztoowń tn obzr jt zrm, w tórym rcują lmy ltronow. obzr jt obzrm nycni. Przy wnym nięciu wzyti ltrony z łdunu rztrznngo ą rzyizn i zbirn rzz nodę. Ntężni rądu nodowgo rztj wtdy wzrtć rzy wzrości nięci nodowgo i oiąg wrtość nycni CT W S x. (8) Dlz zwięzni nięci ni moż zwięzyć rądu, bo tod ni moż wymitowć więzj liczby ltronów (tmrtur tody jt dl cłj chrtrytyi tł). W lmch z todą tlnową ni oiąg ię nycni rądu nodowgo, oniwż wyd ono dl brdzo dużych nięć nidouzczlnych dl lmy. Chrtryty rądowo-nięciow diody. Ułd omirowy rzdtwiony jt n ry.. Lm z todą lm 6H6S ma lub A żrzoną ośrdnio jt ziln z dzilni nięci dwóch zilczy. Zilcz tbilizowny tyu ZT-980-M A zil obwód żrzni nięcim V U U U ż. Nięci U z zilcz tbilizowngo tyu ZS 5/71 jt odn n wjści dzilni U ż V nięci. Nięci wyjściow dzilni zil obwód nodowy Ry. Schmt ułdu do bdni diody nięcim U. Do omiru ntężni rądu nodowgo łużą: milimromirz cyfrowy, gdy nod jt n wyżzym otncjl względm tody, lub miromromirz zwircidlny rzy rzciwnj olryzcji ltrod. Nięci żrzni i nięci nodow mirzymy woltomirzmi cyfrowymi o zri 40 V, ntężni rądu żrzni multimtrm n zri 10 A.

5 5 Wyonni ćwiczni Wynii wzytich omirów muzą być zin w rwozdniu, otrzon odowidnimi jdnotmi i odin rzz ytnt. Chrtryty rądowo-nięciow diody Uwg: nięci zilni włącz ytnt. ) Wzyti zry dzilni nięci utwimy n zro. b) Korzytjąc z łyti montżowj łączymy z omocą bli obwód diody wdług chmtu n ry.. Do obwodu włączmy miromromirz zwircidlny. Nięci zilni U odjmy n dzilni t, by nod był ziln z minu zilcz. Ti nięci będzi hmowło uwolnion z tody ltrony. Utwimy zr zilcz ZS 5/7 n 0V. c) Odrtowujmy miromromirz i rwdzmy czy rzy zrowym nięciu zilni i zimnj todzi mirni wzuj zro n różnych zrch i ozotwimy mirni n zri 0A. d) Po rwdzniu obwodu ytnt włącz zilcz i utwi nięci żrzni n jdną wrtość z zru 4,1 V 4,5 V. Nlży rwdzić czy lm miromromirz wychyl ię w włściwą tronę. Jśli lm wychyl ię w lwo, to nlży zminić oljność dorowdzń rądu do mirni. Czmy o. 5 min. n utlni ię tmrtury tody. Ziujmy wrtości nięci i ntężni rądu żrzni. ) Gdy dzilni jt utwiony n zro wybirmy czulzy zr miromromirz czyli ti, by lm ozotł n rni oz ołową li. Notujmy wzni miromromirz i woltomirz nodowgo. (Uwg: ziujmy ujmn wrtości nięci nodowgo). f) Zminimy utwini dzilni co jdn w zri nięć nodowych (0 ; - 0,5V), ntęni o tyl jdnot, by rąd nodowy mlł o jdną odziłę. (Uwg: omiry ończymy, gdy oiągni minimum). Dl żdgo utwini notujmy wzni miromromirz orz woltomirz nodowgo. g) Utwimy dzilni nięci n zro. Artujmy miromromirz i doonujmy ntęujących zmin w obwodzi nodowym: zr zilcz utwimy n 100V, zminimy mirni rądu nodowgo n milimromirz i olryzcję zilni t, by nod był ziln z lu zilcz. h) Odczytujmy i notujmy wzni milimromirz zminijąc dzilniim nięci nodow co o. 0,5V do ~10V. Pmiętjmy o zznczniu w rotool zrów i l rzyrządów omirowych. i) Sręcmy dzilni nięci do zr. Utwimy nięci żrzni n 6, V i czmy o. min. n utlni ię tmrtury tody. Ziujmy now wrtości nięci i ntężni rądu żrzni. j) Gdy dzilni jt utwiony n zro zminimy nięci zilni n 50 V i nięci zilni odjmy n dzilni t, by nod był onowni ziln z minu zilcz. Do obwodu włączmy miromromirz utwiony zr n 100 A. Notujmy wzni miromromirz i woltomirz nodowgo. (Uwg: ziujmy ujmn wrtości nięci nodowgo). ) Dlz omiry rowdzimy t, j w untch f), g) i h).

6 6 Proozycj ziu wyniów: U ż =... ż =... U ż =... ż =... Nięci nodow U Ntężni rądu [jdnot] [jdnot] U =... =... gdzi U ż, ż, U i ą błędmi ytmtycznymi wynijącym z dołdności (ly) rzyrządów. Orcowni wyniów Chrtryty rądowo-nięciow diody ) N jdnym irz milimtrowym orządzmy chrtrytyi rądowo-nięciow diody, czyli wyry (U ), dl różnych wrunów żrzni (tmrtur tody). W ilu untch żdgo z wyrów, zczgólni rzy zmini zrów, zznczmy błędy i U. Wyry możn orządzć wyorzytując rogrm omutrowy. Srwdzni wzoru Richrdon b) Dl omirów rzrowdzonych rzy nięciu hmującym (U < 0) obliczmy touni, gdzi 0 (0) jt ntężnim rądu rzy U = 0, orz ln 0. Sorządzmy wyr odłdjąc n oi ionowj ln 0 w funcji nięci nodowgo U dl różnych wrunów żrzni. c) Mtodą rgrji liniowj wyznczmy wółczynnii i b rotych njlij doownych do untów omirowych i ich niwności i b. Nnoimy t rot n wyr. Tmrturę tody obliczmy z nchylni rotj, bowim j wyni z wzoru (5) T. T Niwność omirową T obliczmy mtodą rogcji niwności omirowych. Wyznczni nięci onttowgo d) Widząc, ż rąd nycni = 00 ma z wzoru (4) wyznczmy nięci onttow.

7 7 Srwdzni wzoru Lngmuir ) Podnoząc obi trony wzoru Lngmuir (7) do otęgi otrzymmy liniową zlżność oiną równnim: C U, gdzi C jt nową tłą. C Dl dodtnich nięć nodowych (U > 0) obliczmy wrtości do otęgi. N. Mtodą rgrji liniowj znjdujmy wółczynnii rotych njlij doownych do untów omirowych, gdzi wółczynni nchylni C. Nnoimy t rot n wyr. Obliczmy irz milimtrowym orządzmy wyr funcji U równiż niwności wółczynniów i b. f) Obliczmy rwncję diody, czyli C C obliczmy mtodą rogcji niwności omirowych.. Niwność omirową C W wnioch róbujmy ocnić: czy, w zri ujmnych nięć, rzrowdzon omiry otwirdzją onncjlną zlżność rądu nodowgo od nięci (wzór Richrdon)? czy wyznczony otncjł onttowy nlży do rzdziłu (-0,5 V, -1,5 V), tyowgo dl diod z todą tlnową? czy, w zri dodtnich nięć, rzrowdzon omiry otwirdzją rwo trzch drugich (wzór Lngmuir)?