ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 06.04.2021
Просмотров: 415
Скачиваний: 2
16
Индукция магнитного поля для длинного соленоида (длина катушки
L
много больше ее диаметра), дается формулой:
0
N
B
I
L
, (9)
где
N
– число витков катушки.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Блок-схема установки для определения удельного заряда электрона
представлена на рис.4.
Регулировка Ic
Регулировка U
+
-
~
L
L
A
V
A
Р и с. 4
Электровакуумный диод с радиусом анода b=7 мм помещен внутрь
соленоида так, что их оси совпадают. Для питания соленоида L
используется регулируемый выпрямитель. Кнопка «УСТАНОВКА Ua»
(переменный резистор регулировка U на рис. 4) позволяет установить одно
из трех рекомендуемых напряжений Ua лампы – 80, 100, 120 Вольт.
Переменный резистор «ТОК КАТУШКИ» позволяет плавно регулировать
ток катушки соленоида до 2 A с шагом 0.06 A. Все измеренные значения
высвечиваются
на
жидкокристаллическом
индикаторе
«ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР». Принятые обозначения IL – ток катушки
в А; U – напряжение анода в В; Iа – ток анода лампы в мА.
Комбинированный «измерительный прибор» обеспечивает измерение
напряжения на аноде лампы с точностью ±2 В, тока катушки с точностью
±0,02 А, и тока анода с точностью ±0,02 мА. Допускается нестабильность
показаний измерительных приборов в пределах указанных погрешностей.
Поскольку длина соленоида значительно больше длины анода
лампы, то расчет магнитного поля можно проводить по формуле (9).
Параметры катушки: средняя длина намотки L=0,16 м, средний диаметр
намотки D=0.05 м, количество витков N≈1000 витков.
17
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с блок-схемой установки рис. 5. Включить
установку в сеть напряжением ~220 В.
2. Перевести переключатель «СЕТЬ» на панели лабораторного
модуля в положение «ВКЛ». При этом должен загореться светодиод
«СЕТЬ». Ручка «ТОК КАТУШКИ» должна быть повернута до упора
против часовой стрелки.
Дать установке прогреться в течении 3-х
минут
.
3. Если напряжение на аноде лампы не установлено, установить
однократным нажатием кнопки «УСТАНОВКА Ua» Uа=80 В. Для
установки напряжения на аноде лампы кнопку «УСТАНОВКА Ua»
держать нажатой не менее 2-х секунд.
4. Вращением ручки «ТОК КАТУШКИ» снять зависимость
анодного тока лампы Iа от тока катушки I
L.
Шаг изменения тока катушки
выбрать таким образом, чтобы получить 10-15 экспериментальных точек.
Особенно тщательно промерить область «сброса» анодного тока лампы
при достижении критического значения магнитного поля.
5. Кнопкой «УСТАНОВКА Ua» увеличить значение Uа лампы до 100
вольт и проделать действия п. 4.
6. Установив кнопкой «УСТАНОВКА Ua» Uа=120 В, повторить п.4.
7. Для каждого анодного напряжения построить «сбросовую»
характеристику магнетрона – зависимость I
A
(I
L
), определить значение
критического тока катушки (I
L
)
кр
и соответствующее ему критическое
значения поля В
кр
по формуле (9), а затем по формуле (8) вычислить
значение удельного заряда электрона e/m. Радиус анода лампы считать
равным b=0,007 м.
8. Вычислить среднее значение удельного заряда электрона и
сравнить его с теоретическим значением e/m = 1,76
×
10
11
Кл/кг.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.
Какие силы действуют на движущийся заряд в электрическом и
магнитном полях?
2.
Чем определяется траектория движения заряженной частицы в
электромагнитном поле?
3.
В чем заключается сущность метода магнетрона по определению
удельного заряда электрона?
4.
Какие экспериментальные методы по определению удельного заряда
электрона вам известны? В чем заключается их сущность?
18
5.
Какова причина различия теоретической и реальной сбросовых
характеристик?
6.
Запишите выражение для силы Лоренца в векторной форме.
7.
Как определить направление силы Лоренца?
8.
Как будет двигаться заряд в однородном магнитном поле, если вектор
скорости и вектор индукции: а) параллельны, б) перпендикулярны, в)
расположены под углом 0<
<90°?
9.
Как зависит радиус кривизны траектории электрона в
магнетроне от
индукции магнитного поля, если U
a
=const?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ
Цель
работы:
экспериментально
исследовать
вольтамперную
характеристику (ВАХ) и принципы работы полупроводниковых диодов.
Оборудование:
установка ФКЛ-18.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ
Удельная электропроводность
σ
твердых тел лежит в огромном
диапазоне значений: от 10
8
(Ом
٠
м)
–1
у хороших проводников, таких как
медь,
до 10
–18
(Ом
٠
м)
–1
у хороших диэлектриков, например, янтаря.
Объяснение механизмов проводимости всех твердых тел с единой точки
зрения дает зонная теория, рассматривающая твердое тело, как квантово-
механическую систему, состоящую из тяжелых и легких частиц – ядер и
электронов. Поскольку массы этих частиц значительно различаются,
можно для простоты считать, что движение электронов происходит в поле
неподвижных ядер (узлов кристаллической решетки), которые
расположены в пространстве в строгом порядке. Поэтому электрическое
поле, создаваемое ядрами, является периодической функцией координат, а,
следовательно, потенциальная энергия электрона также периодически
зависит от координат. Таким образом, взаимодействие данного электрона
со всеми другими заряженными частицами в кристалле заменяется
действием на него стационарного электрического поля, обладающего
периодичностью кристаллической решетки. Периодическое электрическое
поле в кристалле существенно изменяет энергетические состояния
19
электронов в твердом теле по сравнению с их состояниями в
изолированных атомах.
Пока атомы находятся на больших расстояниях друг от друга, они
практически не взаимодействуют и имеют тождественные схемы
дискретных энергетических уровней. При сближении атомов и их
объединении в кристаллическую решетку взаимодействие между ними
приводит к расщеплению энергетических уровней атомов. Вместо каждого
энергетического
уровня
изолированного
атома
в
твердом
теле,
содержащем N взаимодействующих атомов, возникает N близко
расположенных друг от друга энергетических уровней, образующих
энергетическую полосу или
энергетическую зону
(рис.1). Взаимодействие
между атомами твердого тела сильнее всего влияет на энергетические
уровни внешних, валентных электронов, вследствие чего заметно
расщепляются лишь эти уровни, а также более высокие уровни, которые в
основном состоянии атома вообще электронами не заняты. Энергетические
уровни внутренних электронов либо совсем не расщепляются при r = d,
либо расщепляются очень слабо. Энергия внешних электронов может
принимать значения в пределах заштрихованных на рис.1 областей,
называемых
разрешенными
энергетическими
зонами
.
Каждая
разрешенная зона состоит из N близких дискретных уровней, где N – число
атомов в кристалле. Для 1 см
3
твердого тела N = 10
22
– 10
23
и такой же
порядок имеет число уровней в зоне. Наименьшее расстояние между
соседними уровнями составляет
примерно 10
–22
эВ (1эВ=1,6
٠
10
–19
Дж),
а
общая
ширина
энергетической зоны составляет
несколько электронвольт.
Разрешенные энергетические
зоны
разделены
зонами
запрещенных значений энергии –
запрещенными энергетическими
зонами
.
В
них
электроны
находиться не могут. Соседние
разрешенные
зоны
могут
перекрывать друг друга, образуя
гибридную зону
.
Зона разрешенных значений
энергии, которая при
Т
=0 К не
заполнена или частично заполнена
электронами, называется
зоной
проводимости
.
Самая
верхняя
r
d
2d
E
У
р
ов
н
и
с
в
об
од
н
ог
о
ат
о
м
а
E
Рис.1. Представление
энергетических зон в кристалле в
зависимости от расстояния между
атомами r. d – параметр решетки
0
20
зона, полностью заполненная электронами при Т=0 К, называется
валентной зоной
.
Все твердые тела по электропроводности разделяют на три группы:
металлы, полупроводники и диэлектрики. Они отличаются характером
расположения разрешенных и запрещенных зон, а также различным
заполнением электронами разрешенных зон.
В металлах зона проводимости заполнена не полностью (это может
быть гибридная зона) и остается много близко расположенных свободных
уровней. Поскольку расстояние между соседними уровнями внутри
энергетической зоны очень мало: 10
–12
–10
–22
эВ, а кинетическая энергия,
приобретаемая электроном в металле под действием электрического поля
на длине свободного пробега, составляет 10
–4
–10
–8
эВ, то электроны легко
перемещаются внутри разрешенной зоны, обеспечивая тем самым
электропроводность металлов.
Иная картина заполнения зон реализуется в полупроводниках и
диэлектриках. У них зона проводимости пуста и отделена от валентной
зоны энергетическим барьером – запрещенной зоной. При ширине
запрещенной зоны
Δ
Е
более 3 эВ твердое тело относят к диэлектрикам.
В чистых полупроводниках ширина запрещенной зоны менее 2 эВ.
Типичными, широко применяемыми в электронике полупроводниками
являются кремний и германий. Ширина запрещенной зоны составляет при
температуре Т=300 К у кремния 1,14 эВ, у германия 0,67 эВ. Поэтому при
низких температурах (kТ<<ΔЕ, где k - постоянная Больцмана)
полупроводники плохо проводят электрический ток.
При более высоких температурах термическое возбуждение
переводит часть электронов из валентной зоны в зону проводимости.
Проводимость чистых (собственных) полупроводников, обусловленная
движением электронов в зоне проводимости, называется электронной
проводимостью или проводимостью
n
–типа (negative –отрицательный). В
валентной зоне при этом возникают вакантные, освобожденные
электронами энергетические состояния, получившие название «дырки».
Перемещение дырки в валентной зоне под действием электрического поля
эквивалентно перемещению в пространстве положительного заряда,
равного по величине заряду электрона. Такая проводимость называется
дырочной или проводимостью
p
–типа (positive – положительный).
Вклад в проводимость чистых полупроводников вносят в равной
степени как термические электроны, так и дырки.
Проводимостью полупроводников можно эффективно управлять,
вводя в них малые количества примеси. При этом тип проводимости
определяется соотношением валентностей основного вещества и примеси.
Так, при введении в четырехвалентный кремний примерно 0,001 ат. %
трехвалентного бора проводимость увеличивается в миллион раз. Атомы