ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 03.12.2023
Просмотров: 180
Скачиваний: 10
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
коэффициентом излучения тела (или степенью черноты). Коэффициент излучения зависит от вида материала, обработки его поверхности и может изменяться с изменением длины волны излучения и температуры. По этому более общим выражением для εявляется соотношение
, (3)
где ε(λ) – спектральный коэффициент излучения. По характеру изменения ε(λ) все источники теплового излучения могут быть разделены на три типа:
1 Абсолютно черное тело (полный излучатель), ε(λ) = ε = 1;
2 Серые тела, ε(λ) =
< 1;
3 Селективные излучатели, для которых ε(λ) меняется с длиной волны.
Выполнение работы
Схема включения установки для определения коэффициентов излучения показан на рис. 5.2.
Рис. 5.2. Схема включения установки
Нагреватель и термодатчики устанавливаются на штативы и могут, по мере надобности, поворачиваться друг к другу различными рабочими сторонами. Таким образом можно продемонстрировать излучающую и поглощающую способность тел в следующих вариантах:
-светлая сторона излучателя - светлая сторона термодатчика
-светлая сторона излучателя - темная сторона термодатчика;
-темная сторона излучателя - светлая сторона термодатчика;
-темная сторона излучателя - темная сторона термодатчика.
Между пластинами термодатчика размещен терморезистор, выводы которого подключены к гнездам, расположенным на корпусе термодатчика. Термодатчики поочередно подключаются к мультиметру (режим R). Терморезистор имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления, т.е. при увеличении температуры, вызванной нагревом рабочей стороны термодатчика от излучения нагревателя, сопротивление терморезистора уменьшается и наоборот.
По величине изменения сопротивления можно судить о степени нагрева рабочей стороны термодатчика. Примерное значение сопротивления терморезистора при комнатной температуре – 10 Ом.
Категорически запрещается включение нагревателя на время более 60 минут!
2. Настройте мультиметр, для чего:
А) включите его в сеть питания;
Б) установите переключатель в положение «R», выбрав соответствующие гнезда на панели мультиметра. Диапазон сопротивлений до 1кОм.
3. Включите нагреватель в сеть питания. В течение 40-50 минут стройте временную зависимость сопротивлениий светлого и черного датчиков, каждые 2-3 минуты записывая показания.
4. Не меняя ориентировки излучателя, поверните термодатчики противоположными сторонами и запишите показания мультиметра. Сравните величины, полученные в пп.3 и 4, сделайте вывод.
5. После окончания работы отключите приборы установки от питающей сети.
Вопросы и задания для самоконтроля
1. Какова природа теплового излучения? Что такое термодинамическое равновесие?
2. Шкала электромагнитных волн. Изобразите в логарифмическом масштабе, охарактеризуйте свойства каждого диапазона длин волн.
3.Что такое абсолютно черное тело? Белое тело? Серое (с примерами)? какому закону подчиняется спектральная плотность излучения АЧТ?
4. Сформулируйте и объясните закон смещения Вина.
5. Сформулируйте и объясните закон Стефана-Больцмана.
6. Сформулируйте и объясните закон Кирхгофа.
7. Что такое спектр? Изобразите спектр излучения нагретого тела (например, лампы накаливания). Какой смысл имеет площадь под кривой? Положение максимума огибающей спектра? Что произойдет со спектром излучения, если температура тела уменьшится в два раза (примените указанные выше законы)? Изобразите, соблюдая масштаб, новый спектр излучения.
Что произойдет, если температура увеличится в два раза от первоначального значения?
8. Каков физический смысл коэффициента излучения реального тела и от каких факторов он зависит?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6
ЦЕЛИ РАБОТЫ: построение и изучение вольт-амперной характеристики двухэлектродной лампы (диода); исследование зависимости плотности тока насыщения термоэлектронной эмиссии от температуры катода и определение работы выхода электрона из вольфрама методом прямых Ричардсона [6].
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ
Электрические и тепловые свойства металлов в значительной степени определяются состоянием валентных электронов, т.е. электронов проводимости, способных перемещаться в металле.
Распределение энергии электронов изображено на энергетической диаграмме (рис. 6.1).
Если принять, что вне металла потенциальная энергия электрона равна 0, то внутри металла она отрицательна 
. Это потенциальная яма с плоским дном, что свидетельствует об эквипотенциальности объема металла. Минимальная энергия, которую необходимо сообщить электрону для удаления из металла:
(6.1)
называется работой выхода.
Рассмотрим природу сил, препятствующих выходу электронов из металла и определяющих работу выхода Авых. Отдельные электроны проводимости, двигаясь внутри металла с большими скоростями, могут пересекать поверхность металла. Вылетевший из металла электрон удаляется от поверхности до тех пор, пока кулоновское взаимодействие с избыточным положительным зарядом, возникшим на месте, который покинул электрон, не заставит его вернуться обратно.
Постоянно одни электроны «испаряются» с поверхности металла, другие возвращаются обратно. Поэтому металл оказывается окутанным облаком электронов, образующих совместно с наружным слоем положительных ионов двойной электрический слой, подобно плоскому конденсатору. Поле двойного слояE препятствует выходу электронов из металла.
При комнатной температуре практически все свободные электроны заперты в пределах проводника, имеется лишь небольшое количество электронов, энергия которых достаточна для того, чтобы преодолеть потенциальный барьер и выйти из металла.
Однако электронам можно различными способами сообщить дополнительную энергию. Если электроны получают энергию за счет тепловой энергии тела при повышении его температуры, можно говорить о термоэлектронной эмиссии.
Для наблюдения термоэлектронной эмиссии можно использовать лампу, содержащую два электрода: накаливаемый током катод и холодный электрод, собирающий термоэлектроны, - анод. На рисунке 6.3 изображена схема включения такого диода. Ток в этой цепи появляется только в том случае, если положительный полюс батареи соединен с анодом, а отрицательный - с катодом. Это подтверждает, что катод испускает отрицательные частицы, электроны. Сила термоэлектронного тока в диоде зависит от величены потенциала анода относительно катода.
Рис. 6.4.
Кривая, изображающая зависимость силы тока в диоде от анодного напряжения, называется вольт-амперной характеристикой.
На рис. 6.4 показаны вольт-амперные характеристики диода при разных температурах катода. Когда потенциал анода равен нулю, сила тока мала, она определяется лишь самыми быстрыми термоэлектронами, способными достигнуть анода. При увеличении положительного потенциала анода сила тока возрастает и затем достигает насыщения, т.е. почти перестает зависеть от анодного напряжения.
При увеличении температуры катода увеличивается и значение тока, при котором достигает насыщение. Одновременно увеличивается и то анодное напряжение, при котором устанавливается ток насыщения.
Таким образом, вольт-амперная характеристика диода оказывается не линейной, т.е. не выполняется закон Ома. Это объясняется тем, что при термоэлектронной эмиссии у поверхности катода создается довольно большая плотность электронов. Они создают общий отрицательный заряд, и электроны, вылетающие с малой скоростью, не могут его проскочить. С увеличением анодного напряжения концентрация электронов в облаке пространственного заряда уменьшается. Поэтому и тормозящее действие пространственного заряда делается меньше, а анодный ток растет быстрее, чем в прямой зависимости от анодного напряжения.
Теоретически зависимость анодного тока от анодного напряжения на участке 1 - 2 была получена Ленгмюром и Богуславским. Она называется еще «законом трех вторых».
(6.2)
По мере роста анодного напряжения Ua все больше электронов, вылетевших из катода, достигает анода. Дальнейший рост анодного напряжения не может увеличить силу анодного тока, поскольку достигается насыщение.
Максимальный ток, возможный при данной температуре катода, называется током насыщения.
При повышении температуры увеличивается скорость хаотического движения электронов в металле. При этом число электронов, способных покинуть металл, резко возрастает. Плотность тока насыщения, т.е. сила тока насыщения на каждую единицу поверхности катода S, вычисляется по формуле Ричардсона - Дешмена:
(6.3)
где В – эмиссионная постоянная; постоянная Больцмана k = 1,3810-23 Дж/К. Плотность тока насыщения характеризует эмиссионную способность катода, которая зависит от природы катода и его температуры.
Измеряя на опыте зависимость тока насыщения от температуры, можно определить работу выхода для данного металла.
Прологарифмируем уравнение (6.3):
(6.4)
Переходя к десятичным логарифмам, находим
(6.5)
Подставляя lg(e) = 0,43, имеем
(6.6)
Такой вид уравнения удобен для его экспериментальной проверки.
График зависимости
от 
является прямой линией с угловым коэффициентом 
.
Определив тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс, рассчитаем работу выхода:
(6.7)
Для построения графика необходимо знать плотность анодного тока насыщения jнас и температуру катода. Температуру рассчитаем следующим образом.
, (3)где ε(λ) – спектральный коэффициент излучения. По характеру изменения ε(λ) все источники теплового излучения могут быть разделены на три типа:
1 Абсолютно черное тело (полный излучатель), ε(λ) = ε = 1;
2 Серые тела, ε(λ) =
< 1;3 Селективные излучатели, для которых ε(λ) меняется с длиной волны.
Выполнение работы
Схема включения установки для определения коэффициентов излучения показан на рис. 5.2.
Рис. 5.2. Схема включения установки
Нагреватель и термодатчики устанавливаются на штативы и могут, по мере надобности, поворачиваться друг к другу различными рабочими сторонами. Таким образом можно продемонстрировать излучающую и поглощающую способность тел в следующих вариантах:
-светлая сторона излучателя - светлая сторона термодатчика
-светлая сторона излучателя - темная сторона термодатчика;
-темная сторона излучателя - светлая сторона термодатчика;
-темная сторона излучателя - темная сторона термодатчика.
Между пластинами термодатчика размещен терморезистор, выводы которого подключены к гнездам, расположенным на корпусе термодатчика. Термодатчики поочередно подключаются к мультиметру (режим R). Терморезистор имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления, т.е. при увеличении температуры, вызванной нагревом рабочей стороны термодатчика от излучения нагревателя, сопротивление терморезистора уменьшается и наоборот.
По величине изменения сопротивления можно судить о степени нагрева рабочей стороны термодатчика. Примерное значение сопротивления терморезистора при комнатной температуре – 10 Ом.
Категорически запрещается включение нагревателя на время более 60 минут!
-
Установите светлый и черный термодатчики на минимальном расстоянии от нагревателя так, чтобы их рабочие поверхности были параллельны.
2. Настройте мультиметр, для чего:
А) включите его в сеть питания;
Б) установите переключатель в положение «R», выбрав соответствующие гнезда на панели мультиметра. Диапазон сопротивлений до 1кОм.
3. Включите нагреватель в сеть питания. В течение 40-50 минут стройте временную зависимость сопротивлениий светлого и черного датчиков, каждые 2-3 минуты записывая показания.
4. Не меняя ориентировки излучателя, поверните термодатчики противоположными сторонами и запишите показания мультиметра. Сравните величины, полученные в пп.3 и 4, сделайте вывод.
5. После окончания работы отключите приборы установки от питающей сети.
Вопросы и задания для самоконтроля
1. Какова природа теплового излучения? Что такое термодинамическое равновесие?
2. Шкала электромагнитных волн. Изобразите в логарифмическом масштабе, охарактеризуйте свойства каждого диапазона длин волн.
3.Что такое абсолютно черное тело? Белое тело? Серое (с примерами)? какому закону подчиняется спектральная плотность излучения АЧТ?
4. Сформулируйте и объясните закон смещения Вина.
5. Сформулируйте и объясните закон Стефана-Больцмана.
6. Сформулируйте и объясните закон Кирхгофа.
7. Что такое спектр? Изобразите спектр излучения нагретого тела (например, лампы накаливания). Какой смысл имеет площадь под кривой? Положение максимума огибающей спектра? Что произойдет со спектром излучения, если температура тела уменьшится в два раза (примените указанные выше законы)? Изобразите, соблюдая масштаб, новый спектр излучения.
Что произойдет, если температура увеличится в два раза от первоначального значения?
8. Каков физический смысл коэффициента излучения реального тела и от каких факторов он зависит?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНОВ ИЗ МЕТАЛЛА
ЦЕЛИ РАБОТЫ: построение и изучение вольт-амперной характеристики двухэлектродной лампы (диода); исследование зависимости плотности тока насыщения термоэлектронной эмиссии от температуры катода и определение работы выхода электрона из вольфрама методом прямых Ричардсона [6].
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ
Электрические и тепловые свойства металлов в значительной степени определяются состоянием валентных электронов, т.е. электронов проводимости, способных перемещаться в металле.
Распределение энергии электронов изображено на энергетической диаграмме (рис. 6.1).
Если принять, что вне металла потенциальная энергия электрона равна 0, то внутри металла она отрицательна . Это потенциальная яма с плоским дном, что свидетельствует об эквипотенциальности объема металла. Минимальная энергия, которую необходимо сообщить электрону для удаления из металла: (6.1)называется работой выхода.
Рассмотрим природу сил, препятствующих выходу электронов из металла и определяющих работу выхода Авых. Отдельные электроны проводимости, двигаясь внутри металла с большими скоростями, могут пересекать поверхность металла. Вылетевший из металла электрон удаляется от поверхности до тех пор, пока кулоновское взаимодействие с избыточным положительным зарядом, возникшим на месте, который покинул электрон, не заставит его вернуться обратно.
Постоянно одни электроны «испаряются» с поверхности металла, другие возвращаются обратно. Поэтому металл оказывается окутанным облаком электронов, образующих совместно с наружным слоем положительных ионов двойной электрический слой, подобно плоскому конденсатору. Поле двойного слояE препятствует выходу электронов из металла.
При комнатной температуре практически все свободные электроны заперты в пределах проводника, имеется лишь небольшое количество электронов, энергия которых достаточна для того, чтобы преодолеть потенциальный барьер и выйти из металла.
Однако электронам можно различными способами сообщить дополнительную энергию. Если электроны получают энергию за счет тепловой энергии тела при повышении его температуры, можно говорить о термоэлектронной эмиссии.
Для наблюдения термоэлектронной эмиссии можно использовать лампу, содержащую два электрода: накаливаемый током катод и холодный электрод, собирающий термоэлектроны, - анод. На рисунке 6.3 изображена схема включения такого диода. Ток в этой цепи появляется только в том случае, если положительный полюс батареи соединен с анодом, а отрицательный - с катодом. Это подтверждает, что катод испускает отрицательные частицы, электроны. Сила термоэлектронного тока в диоде зависит от величены потенциала анода относительно катода.
Рис. 6.4.
Кривая, изображающая зависимость силы тока в диоде от анодного напряжения, называется вольт-амперной характеристикой.
На рис. 6.4 показаны вольт-амперные характеристики диода при разных температурах катода. Когда потенциал анода равен нулю, сила тока мала, она определяется лишь самыми быстрыми термоэлектронами, способными достигнуть анода. При увеличении положительного потенциала анода сила тока возрастает и затем достигает насыщения, т.е. почти перестает зависеть от анодного напряжения.
При увеличении температуры катода увеличивается и значение тока, при котором достигает насыщение. Одновременно увеличивается и то анодное напряжение, при котором устанавливается ток насыщения.
Таким образом, вольт-амперная характеристика диода оказывается не линейной, т.е. не выполняется закон Ома. Это объясняется тем, что при термоэлектронной эмиссии у поверхности катода создается довольно большая плотность электронов. Они создают общий отрицательный заряд, и электроны, вылетающие с малой скоростью, не могут его проскочить. С увеличением анодного напряжения концентрация электронов в облаке пространственного заряда уменьшается. Поэтому и тормозящее действие пространственного заряда делается меньше, а анодный ток растет быстрее, чем в прямой зависимости от анодного напряжения.
Теоретически зависимость анодного тока от анодного напряжения на участке 1 - 2 была получена Ленгмюром и Богуславским. Она называется еще «законом трех вторых».
(6.2)По мере роста анодного напряжения Ua все больше электронов, вылетевших из катода, достигает анода. Дальнейший рост анодного напряжения не может увеличить силу анодного тока, поскольку достигается насыщение.
Максимальный ток, возможный при данной температуре катода, называется током насыщения.
При повышении температуры увеличивается скорость хаотического движения электронов в металле. При этом число электронов, способных покинуть металл, резко возрастает. Плотность тока насыщения, т.е. сила тока насыщения на каждую единицу поверхности катода S, вычисляется по формуле Ричардсона - Дешмена:
(6.3)где В – эмиссионная постоянная; постоянная Больцмана k = 1,3810-23 Дж/К. Плотность тока насыщения характеризует эмиссионную способность катода, которая зависит от природы катода и его температуры.
Измеряя на опыте зависимость тока насыщения от температуры, можно определить работу выхода для данного металла.
Прологарифмируем уравнение (6.3):
(6.4)Переходя к десятичным логарифмам, находим
(6.5)Подставляя lg(e) = 0,43, имеем
(6.6)Такой вид уравнения удобен для его экспериментальной проверки.
График зависимости
от является прямой линией с угловым коэффициентом . Определив тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс, рассчитаем работу выхода:
(6.7)Для построения графика необходимо знать плотность анодного тока насыщения jнас и температуру катода. Температуру рассчитаем следующим образом.