Ć W I C Z E N I E N R E-14

Transkrypt

1 INSTYTUT FIZYKI WYDZIAŁ INŻYNIERII PRODUKCJI I TECHNOLOGII MATERIAŁÓW POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA PRACOWNIA ELEKTRYCZNOŚCI I MAGNETYZMU Ć W I C Z E N I E N R E-14 WYZNACZANIE SZYBKOŚCI WYJŚCIOWEJ ELEKTRONÓW

2 Ćwiczni E-14: Wyznczni szybkości wyjściowj lktronów I. Zgdnini do przstudiowni 1. Tori przwodnictw lktryczngo mtli.. Prc wyjści lktronu z mtlu. 3. Rodzj misji lktronowj. 4. Prwo Richrdson dl trmomisji. 5. Prędkość orz nrgi lktronów i jonów w polu lktrycznym. 6. Budow i dziłni lmpy lktronowj - diody. 7. Mtod wyznczni prędkości wyjściowj lktronów. II. Wprowdzni tortyczn Wdług klsycznj torii przwodnictwo lktryczn mtli tłumczy się występownim w nich dużj liczby nośników łdunku lktryczngo - lktronów swobodnych. Z względu n ich brdzo dużą liczbę w jdnostc objętości orz ni-wilki rozmiry używn jst pojęci tzw. gzu lktronowgo. Podobni jk cząstczki w gzi rzczywistym, tk i lktrony w gzi lktronowym poruszją się z pwnymi prędkościmi zlżnymi od tmprtury. Podczs ruchu lktrony swobodn zdrzją się z jonmi sici krystlicznj mtlu. Mtl jko cłość jst lktryczni obojętny, poniwż łdunk swobodnych lktronów jst kompnsowny dodtnim łdunkim jonów tworzących sić krystliczną. Obcność jonów dodtnich powoduj, z lktrony nlżąc do gzu lktronowgo ni mogą swobodni opuścić mtlu. Enrgi, jką t lktrony posidją wskutk ruchu ciplngo, jst niwystrczjąc, by mogły się wydostć n zwnątrz mtlu. Aby wyrwć lktron z pol sił oddziływni dodtnich jonów, trzb wykonć pwną prcę, zw. prcą wyjści lktronu z mtlu. Prc wyjści jst wilkością chrktrystyczną, któr zlży od rodzju substncji orz stnu jj powirzchni. Jj wrtość jst rzędu kilku lktronowoltów. Tk więc misj lktronów z powirzchni przwodnik możliw jst jdyni wówczs, gdy ich nrgi jst wyższ od prcy wyjści lktronu z mtlu. W tmprturz pokojowj jdyni znikom część lktronów posid wystrczjącą nrgię do wykonni tj prcy i wydostni się n zwnątrz. Istniją różn sposoby przkzywni lktronom żądnj nrgii. Elktrony mogą ją uzyskć w wyniku dziłni czynników zwnętrznych, tkich jk: siln pol lktryczn (misj polow lub zimn), ogrzwni przwodnik (trmomisj), nświtlni jgo powirzchni (fotomisj) orz bombrdowni powirzchni przz inn cząstki (misj wtórn). W zjwisku trmomisji nrgi potrzbn lktronom do opuszczni mtlu jst dostrczn w postci cipł. W mirę podwyższni tmprtury rośni liczb szybkich lktronów i dzięki tmu wzrst liczb lktronów opuszczjących mtl. Liczbę lktronów mitownych z mtlu pod wpływm cipł w jdnostc czsu, przypdjących n jdnostkową powirzchnię, nzywmy gęstością prądu trmomisji. Gęstość tgo prądu okrśl równni Richrdson

3 Ćwiczni E-14: Wyznczni szybkości wyjściowj lktronów j s T xp A k T (1) gdzi: A - prc wyjści, k - stł Boltzmnn, T - tmprtur mtlu, - stł chrktryzując mtl. Równni to wskzuj n ndzwyczj szybki wzrost gęstości prądu trmomisji z wzrostm tmprtury. Enrgi cipln dostrczon do przwodnik zostj zużyt n wykonni prcy wyjści, pozostłą jj część w postci nrgii kintycznj posid lktron opuszczjący mtl E A E k () gdzi: A - prc wyjści lktronu z mtlu, E k = mv / - nrgi kintyczn lktronu. Tk więc lktrony, opuszczjąc powirzchnię ogrzwngo przwodnik, posidją pwną prędkość, którą nzywć będzimy prędkością wyjściową. Prędkości wyjściow lktronów ni są dokłdni równ, lcz wykzują pwin rozrzut zgodny z mxwllowskim rozkłdm prędkości. Mtod pomiru Clm ćwiczni jst wyznczni prędkości wyjściowj lktronów wymitownych z powirzchni mtlu. Mtod zstosown w tym ćwiczniu polg n hmowniu lktronów w zwnętrznym polu lktrycznym odpowidnio skirownym. Możn to zrlizowć z pomocą lmpy lktronowj - diody. Źródłm lktronów w lmpi jst żrzon lktryczni ktod. Jżli nodę połączymy z dodtnim bigunm źródł, ktodę z ujmnym, to lktrony będą przyciągn przz nodę i w obwodzi popłyni prąd lktryczny. W clu zhmowni wymitownych z ktody lktronów nlży połączyć nodę z ujmnym bigunm źródł, ntomist ktodę z dodtnim. Tki połączni powoduj wytworzni między ktodą i nodą pol lktryczngo, hmującgo ruch lktronów w kirunku nody. Elktrony prz- bywjąc różnicę potncjłów U muszą wtdy wykonć prcę W = U. Prcę tę wykonują kosztm swj nrgii kintycznj E k = mv /. Spośród lktronów wymitownych przz ktodę z różnymi prędkościmi początkowymi, do nody dotrą tylko t, których początkow nrgi kintyczn jst większ lub równ prcy konicznj n pokonni pol hmującgo. Możmy więc zpisć mv U (3) gdzi: - łdunk lktronu, U - npięci pol hmującgo. Z wzrostm ujmngo potncjłu nody liczb lktronów o nrgii wystrczjącj do przzwyciężni pol hmującgo jst corz mnijsz i prąd nodowy w obwodzi mlj. Przy pwnj wrtości npięci 3

4 Ćwiczni E-14: Wyznczni szybkości wyjściowj lktronów U = U (npięci odcięci) żdn z lktronów ni dochodzi do nody, więc prąd mlj do zr I = 0. Wówczs spłniony jst wrunk mv U A stąd mksymln prędkość lktronów wyrzi się zlżnością v mx U m (4) Pomir njmnijszgo npięci U, dl którgo ntężni prądu nodowgo jst równ zru, pozwl z równni (4) obliczyć prędkość njszybszych lktronów. W tn sposób wyznczmy prędkości lktronów dl różnych tmprtur, tzn. dl różnych wrtości npięci żrzni ktody. Nlży zuwżyć, ż mtod zstosown w tym ćwiczniu pozwl wyznczyć prędkości tylko njszybszych lktronów opuszczjących mtl w zjwisku trmomisji. III. Zstw pomirowy Zsilcz, mikrompromirz, woltomirz, lmp lktronow - diod. I. Schmt ukłdu pomirowgo. Przbig ćwiczni 1. Połączyć obwód wdług schmtu.. Przłącznik npięci żrzni U ż ustwić w pozycji 4,0. 3. Potncjomtrm zwiększć ujmn npięci nodow do momntu ż milimpromirz wskż Odczytć npięci odcięci (dl I = 0). Dl kżdj wrtości npięci żrzni wykonć trzy pomiry. 5. Dokonć pomirów dl pozostłych npięć żrzni > 4. UWAGA! Nlży odczytć njmnijsz npięci, przy którym I = Wyniki pomirów wpisć do tbli. 4

5 I. Tbl pomirow Ćwiczni E-14: Wyznczni szybkości wyjściowj lktronów U ż [] U [] [m/s] [m/s] 100% Woltomirz U Kls mirnik Zkrs pomirowy Wrtość njmnijszj dziłki II. Oprcowni ćwiczni 1. Dl kżdj wrtości npięci odcięci U obliczyć prędkość wyjściową lktronu z wzoru U m przyjmując dl lktronu /m = 1, C/kg.. Obliczon wrtości wpisć do tbli. III. Rchunk błędu 1. Błąd bzwzględny obliczmy mtodą różniczki zupłnj: U U U U mu m gdzi U - nipwność pomirow npięci odcięci U Obliczni błędu względngo kls x zkrs 1 U dz 100 prowdzą do prostgo wyrżni 1 U U 5

6 Ćwiczni E-14: Wyznczni szybkości wyjściowj lktronów Litrtur 1. Ćwiczni lbortoryjn w politchnic, prc zbiorow pod rd. T. Rwj, PWN, Wrszw Ćwiczni lbortoryjn z fizyki, prc zbiorow pod rd. M. Nowk, Wydwnictwo Politchniki Śląskij, Gliwic Jworski B., Ditłf A., Kurs fizyki, T. II, Elktryczność i mgntyzm, PWN, Wrszw Lch J., Oprcowni wyników pomirów w lbortorium podstw fizyki, Wydwnictwo Wydziłu Inżynirii Procsowj, Mtriłowj i Fizyki Stosownj PCz, Częstochow Szczniowski S., Fizyk doświdczln, cz. III, Elktryczność i mgntyzm, PWN, Wrszw