Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
диоду, и комбинированный цифровой прибор Ц43 11 класса точности 0,5 (или прибор Щ43 I ч-ого же класса точности) для измерения анодного тока.
В схеме предусмотрены два режима работы вакуумного дио да: 1) «Прогрев» - включена только цепь накала, анодная цепь разомкнута; 2) «Работа» - включены как цепь накала, так и анодная цепь. В цепи накала ва куумного диода существует ступенчатая регулировка тока, позволяющая изме нять температуру катода (переключатель Пр2 «Температура катода 1,2,3»). Анодное напряжение диода плавно регулируется с помощью потенциометра.
К цепи накала
Рис. 1.
В лабораторном макете соединительные провода выполнены из белого и черного проводов, причем черный - «минус», белый - «плюс».
Основные параметры вакуумного диода и физические постоянные.
Исследуемый физический прибор: вакуумный диод 6Д20П.
Площадь цилиндрического анода: S = (450 ±5) мм2.
Радиус цилиндрического анода: R = (3,6 ± 0,2) мм.
Радиус цилиндрического катода мал по сравнению с радиусом анода.
Высота цилиндрического анода: Н = (2,00 + 0,02) см.
Модуль заряда электрона q = 1,6 • 10" Кл. Масса электрона т = 9,1 • 10" кг . Постоянная Больцмана к = 1,38 • 10~23 Дж/К.
201.6. Порядок выполнения работы.
Таблица для записи результатов измерений зависимости тока диода от на пряже! i ия воль тм етра :
Таблица № 1
|
Номер точки / |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
|
Задерживаю щее напряже ние (/ = £/„/10, мВ |
0 |
|||||||||||||
|
Ток анода J , мкА |
Заготовить три одинаковые таблицы №1 для трех различных температур электронного газа. По результатам таблиц в одной системе координат по строить семейство графиков J = J(U) на миллиметровой бумаге.
201.7. Методика обработки результатов измерений.
Выбрать вольтамперную характеристику с наибольшим значением на
чального тока Jo .
Рассчитать температуру термоэлектронного газа из соотношения
(201.7) для точки г=6 по значениям J(6) и U(6)
qU(6)
(201.14)
kln(J0/J(6))
• Оценить наиболее вероятную скорость электронного газа (201.3).
• Определить из (201.8) среднюю концентрацию электронов равновесной
компоненты
п^ЧШ- <2о1л5>
qS V kT
• Рассчитать количество электронов в моделируемом равновесном газе
из соотношения N = п0У = пояЯ2Н .
Вычислить коэффициент пропорциональности
q Sn0 Полученные результаты занести в таблицу №2.
(201.10)
Таблица №2
Г, К
G, В/А
и, м/с
N
«о,
Jo, мкА
• По ВА.Х для наибольшего значения нулевого тока, провести расчет экспериментальной функции распределения (201.12) с учетом следующих осо-
бенностей: у'-е значение функции Fj\ \, рассчитанное для приращения тока
dJ ~ AJj = Ji+l - Jj и приращения напряжения dU ~ AUj = Ui+i - А (У,-, соответ ствует значению скорости
(201.7)
где
(201.8)
- наибольшее чпачение 'тока в диоде при минимальном значении задерживаю щего напряжения t/=0. Соотношение (201.7) дает аналитический вид вольтам-iiepnoii характеристики (I3AX) запираемого вакуумного диода при максвеллов-ском распределении носителей тока. Дифференцируя (201.7) по U, найдем
dL = _4J±e-qu,kr_ (20]9)
dU kT
Из (201.7) и (201.9) видно, что с ростом задерживающего напряжения ток вакуумного диода уменьшается по экспоненциальному закону.
Вид ВАХ отображает свойства максвелловского распределения электро нов (201.1) Производную тока по напряжению (201.9) свяжем с видом ФР 'i(u») c учетом того, что убыль кинетической энергии зарядов обусловлена приращением замирающего напряжения (следует из (201.4))
(201.10)
(201.11)
Равенство (201.1 1) позволяет по зависимости J =J(U) восстановить экс периментальную ФР F{ox) равновесных термоэлектронов, которую удобно иредсташп I. в безразмерном виде, умножив (201.1 1) на ив,
"^ = (v/|rUv; = __-V^ = _4^-~ = -G" (201Л2)
q2Sn{)dU q2Sn{) dU dU
и (.ранним, ее с распределением (201.1), умноженным на ив: %
Заполнить таблицу №3.
(201.17)
201.?. Описание установки.
' )лск I рическая блок-схема установки (рис. 1) включает в себя: выпрями тель П-.М, блок стабилнзиронанною анодного и накалыюго напряжений (БСН) для iiinaiiiDi цепей вакуумного диода 6Д20П, вольтметр М2017 класса точности 0,5, ичмсря1О[ций напряжение на делителе сопротивлений, подключенному к
8
Литература
Описание составил Сапогин В.Г. Рецензент Клопченко B.C.
Лабораторная работа № 201
«Моделирование распределения Максвелла
н равновесном газе термоэлектронов»
201.1. Цель работы
Методом задерживающего потенциала из косвенных измерений получить функцию распределения (ФР) по компоненте скорости равновесных термоэлек троном. Определить концентрацию и количество электронов равновесной ком поненты. Сравнить экспериментальную ФР с распределением Максвелла по компоненте скорости.
201.2. Приборы и принадлежности
Накуумпып диод, блок питания, вольтметр, амперметр.
201.3. Теоретический материал
Функции распределения равновесного газа молекул. Распределение Мак свелла. Средние параметры распределения. Экспериментальная проверка ФР [1, С. 310 3211. Термоэлектронная эмиссия, вакуумный диод [2, с. 268-270].
201.4. Теоретическое введение
Молекулы газа, находящегося в равновесном состоянии, движутся с са мыми различными скоростями, причем как модуль, так и направление скорости каждой отдельно взятой молекулы непрерывно изменяются из-за соударений (молекула претерпевает в секунду при нормальных условиях — 10у соударений).
В газе различают две функции распределения (ФР) молекул: по компо ненте скорости f\[\iK)
1 (IN f in
= 4 яг
N (lи \2лкТ.
где /V ■■ число молекул газа, m - масса молекулы, 7'- абсолютная температура га за, к - постоянная Ьо.ш.цмапа. Зная вид f2(v) можно найти количество молекул dN hi числа /V, скорое гп которых заключены в интервале от и до и + с/о (анало гично дня ФР ('.01.1)
Различие законов (201.1) и (201.2) связано с тем, что первый указывает на равиоиеспос 11. распределения молекул по направлениям в пространстве: в пре делах люГ)ым образом ориентированного, но постоянного но величине, телесно го угла dU и каждый момент времени лежат направления движения в среднем одинакового числа молекул dN, а второй утверждает, что возможные значения
модуля скорости, заключенные и пределах от нуля до бесконечности, не равно вероятны.
ФР (201.2) имеет размерность обратной скорости и максимум, приходя щийся на наиболее вероятную скорость
(201.3)
V т
В предлагаемой работе проводят косвенные измерения ФР равновесных термоэлектронов и сравнивают ее с распределением по компоненте скорости (201.1).
Для измерения ФР в лабораторной работе применяют метод задержи вающего потенциала. Его основная идея состоит в следующем: потоком одно именных зарядов, идущих от катода к аноду, можно управлять внешним на пряжением, приложенным между катодом и анодом. Это напряжение такой по лярности, чтобы одна часть зарядов, у которых небольшая скорость движения, останавливалась, не достигая анода, и возвращалась к катоду. А другая их часть, с большими скоростями движения, проходила через потенциальный барьер, создаваемый чтим напряжением, и попадала па анод. Движение зарядов в этом случае подчиняется закону сохранения полной механической энергии
2 2
Е = ^L + ч<р] = T^L + qcp2 = const, (201.4)
где цифрами отмечены значения полной энергии заряда на катоде - 1, и на ано де - 2. Тогда минимальная скорость и„, = о, - скорость, при которой заряд уже останавливается на аноде (и2 = о), следует из (201.4)
2с/(<р2 -чц) _ \2qU
(201.5)
т V т
где in - масса электрона, ц - модуль его заряда, U - запирающее напряжение ме жду катодом и анодом. Вылетевшие из катода электроны, скорости которых меньше чем ит, возвращаются обратно.
Предполагая, что скорость вылетающих из катода электронов распреде лена по Максвеллу, а движение одномерное, запишем элемент тока JJ, созда ваемый электронами со скоростями в интервале dux, учитывая, что плотность тока jx = qnux:
(201.6)
где
/„, ч -/() - ,v - средняя концентрация электронов в равновесной
компоненте, движущейся в направлении оси х, V - объем газа, занимаемый электронами, S - площадь анода, через которую протекает ток. Тогда анодный ток, создаваемый электронами, долетевшими до анода, вычисляется из соотно шения
Таблица № 3
|
Номер точки j |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
|
У /Ч |
|||||||||||||
|
F, |
|||||||||||||
|
• |
о По таблице №3 в одной системе координат построить графики на миллиметровой бумаге экспериментальной функции распределения
v ■ / и ■ /
Fj( у ) и функции распределения fj( у ) (201.13), рассчитанной предва-
рительно на калькуляторе для этих лее значений ■'/ .
• Из сравнения графиков сделать качественные и количественные выво ды.
201.8. Оценка погрешности определения концентрации электронов равновесной компоненты.
Из соотношения (201.15) согласно методике, приведенной в [3], следует, что
, - (201.18)
«о njo ) V s ) л\ г )
Оценку погрешности из (201.18) сделать для наибольшей температуры катода и наибольшего тока диода. Считать, что Л7У7' = 0,02. Сделать округление в аб солютной погрешности А«о до первой значащей цифры и записать конечный результат в виде «0 = >iq ± А»о •
201.9. Контрольные вопросы.