| Line 35... |
Line 35... |
| 35 |
\begin {table}[tbp]
|
35 |
\begin {table}[tbp]
|
| 36 |
\begin {center}
|
36 |
\begin {center}
|
| 37 |
\begin{tabular}{|l|l|}
|
37 |
\begin{tabular}{|l|l|}
|
| 38 |
\hline
|
38 |
\hline
|
| 39 |
\multicolumn{ 2}{|c|}{\Large \bfseries FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE \huge\strut} \\ \hline
|
39 |
\multicolumn{ 2}{|c|}{\Large \bfseries FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE \huge\strut} \\ \hline
|
| 40 |
\textbf{Datum měření:} {8.4.2011} & \textbf{Jméno:} {Jakub Kákona} \\ \hline
|
40 |
\textbf{Datum měření:} {15.4.2011} & \textbf{Jméno:} {Jakub Kákona} \\ \hline
|
| 41 |
\textbf{Pracovní skupina:} {4} & \textbf{Ročník a kroužek:} {Pa 9:30} \\ \hline
|
41 |
\textbf{Pracovní skupina:} {4} & \textbf{Ročník a kroužek:} {Pa 9:30} \\ \hline
|
| 42 |
\textbf{Spolupracovníci:} {Jana Navrátilová} & \textbf{Hodnocení:} \\ \hline
|
42 |
\textbf{Spolupracovníci:} {Jana Navrátilová} & \textbf{Hodnocení:} \\ \hline
|
| 43 |
\end{tabular}
|
43 |
\end{tabular}
|
| 44 |
\end {center}
|
44 |
\end {center}
|
| 45 |
\end {table}
|
45 |
\end {table}
|
| 46 |
|
46 |
|
| 47 |
\begin{center} \Large{Úloha 11: Termická emise elektronů} \end{center}
|
47 |
\begin{center} \Large{Úloha 11: Termická emise elektronů} \end{center}
|
| 48 |
|
48 |
|
| 49 |
\begin{abstract}
|
49 |
\begin{abstract}
|
| 50 |
Před více jak stoletím byla objevena vakuová dioda. Cílem našeho měření bylo změření VA charakteristiky a zjištění význačných bodů u laboratorní diody s přímo žhavenou katodou.
|
50 |
Cílem našeho měření bylo změření VA charakteristiky a zjištění význačných bodů u laboratorní diody s přímo žhavenou katodou.
|
| 51 |
\end{abstract}
|
51 |
\end{abstract}
|
| 52 |
|
52 |
|
| 53 |
\section{Úvod}
|
53 |
\section{Úvod}
|
| 54 |
\subsection{Zadání}
|
54 |
\subsection{Zadání}
|
| 55 |
\begin{enumerate}
|
55 |
\begin{enumerate}
|
| Line 66... |
Line 66... |
| 66 |
|
66 |
|
| 67 |
\section{Experimentální uspořádání a metody}
|
67 |
\section{Experimentální uspořádání a metody}
|
| 68 |
|
68 |
|
| 69 |
\subsection{Pomůcky}
|
69 |
\subsection{Pomůcky}
|
| 70 |
|
70 |
|
| 71 |
Speciální dioda s wolframovou žhavnou katodou trvale čerpaná vakuovým systémem, regulovatelný zdroj 20 V, žhavící transformátor, regulovatelný zdroj 600 V, voltmetr, ampérmetr, miliampérmetr, nanoampérmetr, regulační transformátor 0 - 220 V.
|
71 |
Vakuová dioda s wolframovou přímo žhavenou katodou trvale čerpaná vakuovým systémem, regulovatelný zdroj 20 V, žhavící transformátor, regulovatelný zdroj 600 V, voltmetr, ampérmetr, miliampérmetr, nanoampérmetr, regulační transformátor 0 - 220 V.
|
| 72 |
|
72 |
|
| 73 |
$\\$
|
73 |
$\\$
|
| 74 |
|
74 |
|
| 75 |
\subsection{Teoretický úvod}
|
75 |
\subsection{Teoretický úvod}
|
| 76 |
|
76 |
|
| Line 91... |
Line 91... |
| 91 |
\section{Výsledky a postup měření}
|
91 |
\section{Výsledky a postup měření}
|
| 92 |
\subsection{Měření emisního proudu pro kladné anodové napětí}
|
92 |
\subsection{Měření emisního proudu pro kladné anodové napětí}
|
| 93 |
|
93 |
|
| 94 |
Nejdříve jsme prozkoumali konstrukci vakuové aparatury a začali čerpat rotační vývěvou, po dosažení mezního tlaku této vývěvy, jsme Byla zapnuta ještě turbomolekulární vývěva. Mezitím jsme zapojili měřící sestavu dle přiloženého schématu. Po dosažení mezního tlaku skoro $10^-4 Pa$ jsme vyzkoušeli funkčnost celé aparatury, nejdříve žhavení, tedy zvýšením žhavícího proudu a následně i tok náboje k anodám. Nakonec jsme otestovali radiační pyrometr.
|
94 |
Nejdříve jsme prozkoumali konstrukci vakuové aparatury a začali čerpat rotační vývěvou, po dosažení mezního tlaku této vývěvy, jsme Byla zapnuta ještě turbomolekulární vývěva. Mezitím jsme zapojili měřící sestavu dle přiloženého schématu. Po dosažení mezního tlaku skoro $10^-4 Pa$ jsme vyzkoušeli funkčnost celé aparatury, nejdříve žhavení, tedy zvýšením žhavícího proudu a následně i tok náboje k anodám. Nakonec jsme otestovali radiační pyrometr.
|
| 95 |
|
95 |
|
| 96 |
Zvyšovali jsme postupně tuto teplotu katody a vždy změřili emisní charakteristiku až do oblasti nasycení, všechny hodnoty jsou uvedeny v tabulce 1. Pro každou teplotu jsme sestavili graf. Po extrapolaci hodnot $I_0$ jsme následně jsme daty proložili přímku a vyfitovali hodnoty $A=(7.5 \pm 2.8) 10^4 Am^{-2}K^{-2}$ a $\varphi _{v}=(5.1\pm0.9)V$ obrázek 3.
|
96 |
Zvyšovali jsme postupně tuto teplotu katody a vždy změřili emisní charakteristiku až do oblasti nasycení, všechny hodnoty jsou uvedeny v tabulce 1. Pro každou teplotu jsme sestavili graf. Po extrapolaci hodnot $I_0$ jsme následně jsme daty proložili přímku a vyfitovali hodnoty $A=(101 \pm 28) 10^4 Am^{-2}K^{-2}$ a $\varphi _{v}=(1.8\pm0.9)V$.
|
| 97 |
|
97 |
|
| 98 |
\begin{table}[htbp]
|
98 |
\begin{table}[htbp]
|
| 99 |
\caption{Naměřené hodnoty emisního proudu v závislosti na napětí.}
|
99 |
\caption{Naměřené hodnoty emisního proudu v závislosti na napětí.}
|
| 100 |
\begin{center}
|
100 |
\begin{center}
|
| 101 |
\begin{tabular}{|c|c|}
|
101 |
\begin{tabular}{|c|c|}
|
| Line 221... |
Line 221... |
| 221 |
\end{figure}
|
221 |
\end{figure}
|
| 222 |
|
222 |
|
| 223 |
\begin{figure}
|
223 |
\begin{figure}
|
| 224 |
\begin{center}
|
224 |
\begin{center}
|
| 225 |
\label{amplituda}
|
225 |
\label{amplituda}
|
| 226 |
\includegraphics [width=150mm] {zhaveni_katody.png}
|
226 |
\includegraphics [width=150mm] {emise_fit.png}
|
| 227 |
\caption{Závislost teploty katody na žhavícím příkonu}
|
227 |
\caption{Naměřené hodnoty emisního proudu v nasycené oblasti}
|
| 228 |
\end{center}
|
228 |
\end{center}
|
| 229 |
\end{figure}
|
229 |
\end{figure}
|
| 230 |
|
230 |
|
| 231 |
|
- |
|
| 232 |
\subsection{Měření emisního proudu pro záporné anodové napětí}
|
231 |
\subsection{Měření emisního proudu pro záporné anodové napětí}
|
| 233 |
Pro měření při záporném anodovém napětí jsme otočit polarizaci zdroje vysokého napětí a přepnuli jej na nižší rozsah 0-30V, místo miliampérmetru jsme také zapojili galvanometr. Opět jsme měnili teplotu katody a tentokrát zapisovali i žhavící proud, z charakteristiky jsme se snažili měřit exponenciální oblast. (Jiná část není v této konfiguraci měření dostupná a je zatížena silnými nelinearitami a parazitními jevy). Naměřené a vypočtené hodnoty jsou uvedeny v tabulce~2.
|
232 |
Pro měření při záporném anodovém napětí jsme otočit polarizaci zdroje vysokého napětí a přepnuli jej na nižší rozsah 0-30V, místo miliampérmetru jsme také zapojili galvanometr. Opět jsme měnili teplotu katody a tentokrát zapisovali i žhavící proud, z charakteristiky jsme se snažili měřit exponenciální oblast. (Jiná část není v této konfiguraci měření dostupná a je zatížena silnými nelinearitami a parazitními jevy). Naměřené a vypočtené hodnoty jsou uvedeny v tabulce~2.
|
| 234 |
|
233 |
|
| 235 |
\section{Diskuse}
|
- |
|
| 236 |
|
- |
|
| 237 |
\begin{itemize}
|
234 |
\begin{figure}
|
| 238 |
\item Naměřené hodnoty emisního proudu při kladném anodovém napětí jsou uvedeny v tabulce 1. S miliampérmetrem se nám podařilo dosáhnou měřitelné emise při teplotě 2142K na nejnižším rozsahu miliampérmetru 0.06mA. Náběhový proud měl při dané teplotě a zvyšujícím se anodovém napětí exponenciální charakter, kde vždy poslední hodnota v tabulce pro danou teplotu, je již nasycený proud (dále se nezvyšoval).
|
235 |
\begin{center}
|
| 239 |
\item Grafy emisních proudů při daných teplotách jsou na obrázku 1, 2. Hodnoty nasyceného emisního proudu jsou uvedeny v tabulce 1, vždy největší hodnota pro danou teplotu. Richardsonova přímka je na obrázku 3.
|
- |
|
| 240 |
\item Richardsonovu konstantu jsme určili fitováním grafu (obrázek 3) $A=(7.5 \pm 2.8) 10^4 Am^{-2}K^{-2}$ a od skutečné hodnoty pro wolfram$A \approx 80 \cdot 10^4 Am^{-2}K^{-2}$ se liší o řád, přesněnji o $91\%$, což je na první pohled dosti mizerné, ale uvědomíme-li si, že jsme s miliampérmetrem měřili i setiny miliampér (desítky mikroampér), pak už počítáme s jistou chybou. Navíc bylo i mírně problémové zjištování teploty katody radiačním pyrometrem a některé hodnoty v tabulce to přímo potvrzují. Tyto chyby byli možná způsobeny i naší chybou, kdy jsme nečekali než se teplota katody ustálí, ovšem vezmeme-li v úvahu rozměry katody a přívodní kontakty dalo by se o tom polemizovat. Výstupní práci jsme opět zjistili fitováním ze stejného grafu $\varphi _{v}=(5.1\pm0.9)V$, která se od skutečné hodnoty $\varphi _{v} \approx 4.5V$ liší o $14\%$.
|
236 |
\label{amplituda}
|
| 241 |
\item Závislost náběhového proudu pro záporné anodové napětí jsme změřili a uvedli v tabulce 2, ale pro nedostatek času jsme nepoříli příliš hodnot což se projevilo nepříznivě při fitování průběhů a zjištování teplot katody ze vzorce 5.
|
237 |
\includegraphics [width=150mm] {zhaveni.png}
|
| 242 |
\item Při proměřevání jsme zapsali i hodnoty žhavícího proudu a uvedli ve výše zmíněné tabulce.
|
- |
|
| 243 |
\item Jak jsem již uvedl v před-předchozím bodě teplotu katody jsme určovali radiačním pyrometrem a dále podle vzorce 4, kde jsme místo zlomku za konstantou 5040 použil směrnice grafu, hodnoty jsou uvedeny v tabulce 2. Toto měření bylo opět dosti zajímavé z hlediska měření proudu, kdy jsme měřili v nejméně desítkách nanoampérů, což i přes dosti sofistikovaně použitý galvanometr se zrcátkem je docela zátěž. Vůbec obecné měření takto malé veličiny proudu je problém.
|
238 |
\caption{Závislost teploty katody na žhavícím příkonu}
|
| 244 |
\end{itemize}
|
239 |
\end{center}
|
| 245 |
|
- |
|
| 246 |
\section{Závěr}
|
- |
|
| 247 |
|
- |
|
| 248 |
Při měření jsme si prakticky vyzkoušely práci s vysoce sofistikovanou sestavou vakuové techniky a prací s elektronkovou diodou. Richardsonovu konstantu jsme určili fitováním grafu (obrázek 3) $A=(7.5 \pm 2.8) 10^4 Am^{-2}K^{-2}$ a od skutečné hodnoty pro wolfram $A \approx 80 \cdot 10^4 Am^{-2}K^{-2}$ se liší o $91\%$. Výstupní práci elektronů pro wolfram jsme opět určili fitováním z grafu (obrázek 3) $\varphi _{v}=(5.1\pm0.9)V$, která se od skutečné hodnoty $\varphi _{v} \approx 4.5V$ liší o $14\%$.
|
240 |
\end{figure}
|
| 249 |
|
- |
|
| 250 |
\begin{thebibliography}{10} %REFERENCE
|
- |
|
| 251 |
%\bibitem{3} doc. Ing. Ivan Štoll, CSc., \emph{Mechanika}, Vydavatelství ČVUT Praha, 1994
|
- |
|
| 252 |
%\bibitem{3} $<$http://fyzika.fjfi.cvut.cz$>$
|
- |
|
| 253 |
|
- |
|
| 254 |
\end{thebibliography}
|
- |
|
| 255 |
|
- |
|
| 256 |
|
- |
|
| 257 |
|
- |
|
| 258 |
|
- |
|
| 259 |
|
- |
|
| 260 |
|
- |
|
| 261 |
|
- |
|
| 262 |
|
241 |
|
| - |
|
242 |
\begin{table}[htbp]
|
| - |
|
243 |
\caption{Teploty katody v závislosti na žhavícím výkonu}
|
| - |
|
244 |
\begin{center}
|
| - |
|
245 |
\begin{tabular}{|c|c|c|c|}
|
| - |
|
246 |
\hline
|
| - |
|
247 |
Příkon [W] & Teplota katody [K] & Vypoctena [K] & Chyba \% \\ \hline
|
| - |
|
248 |
19,14 & 1961 & 2334 & 19 \\ \hline
|
| - |
|
249 |
20,06 & 2062 & 2514 & 22 \\ \hline
|
| - |
|
250 |
21,35 & 2108 & 2880 & 37 \\ \hline
|
| - |
|
251 |
24,57 & 2156 & 2456 & 14 \\ \hline
|
| - |
|
252 |
\end{tabular}
|
| - |
|
253 |
\end{center}
|
| - |
|
254 |
\label{}
|
| - |
|
255 |
\end{table}
|
| 263 |
|
256 |
|
| - |
|
257 |
\begin{table}[htbp]
|
| - |
|
258 |
\caption{Náběhový proud pro teplotu 1960 K}
|
| - |
|
259 |
\begin{center}
|
| - |
|
260 |
\begin{tabular}{|c|c|}
|
| - |
|
261 |
\hline
|
| - |
|
262 |
U [V] & I [A] \\ \hline
|
| - |
|
263 |
3,7 & -0,00000003 \\ \hline
|
| - |
|
264 |
4 & -0,00000041 \\ \hline
|
| - |
|
265 |
5 & -0,00000082 \\ \hline
|
| - |
|
266 |
6 & -0,00000094 \\ \hline
|
| - |
|
267 |
7 & -0,00000103 \\ \hline
|
| - |
|
268 |
8 & -0,00000108 \\ \hline
|
| - |
|
269 |
9 & -0,00000112 \\ \hline
|
| - |
|
270 |
10 & -0,00000114 \\ \hline
|
| - |
|
271 |
\end{tabular}
|
| - |
|
272 |
\end{center}
|
| - |
|
273 |
\label{}
|
| - |
|
274 |
\end{table}
|
| 264 |
|
275 |
|
| - |
|
276 |
\begin{table}[htbp]
|
| - |
|
277 |
\caption{Náběhový proud pro teplotu 2061 K}
|
| - |
|
278 |
\begin{center}
|
| - |
|
279 |
\begin{tabular}{|c|c|}
|
| - |
|
280 |
\hline
|
| - |
|
281 |
U [V] & I [A] \\ \hline
|
| - |
|
282 |
3,8 & -0,00000006 \\ \hline
|
| - |
|
283 |
4 & -0,00000033 \\ \hline
|
| - |
|
284 |
5 & -0,00000081 \\ \hline
|
| - |
|
285 |
6 & -0,00000095 \\ \hline
|
| - |
|
286 |
7 & -0,00000103 \\ \hline
|
| - |
|
287 |
8 & -0,00000108 \\ \hline
|
| - |
|
288 |
9 & -0,00000112 \\ \hline
|
| - |
|
289 |
10 & -0,00000115 \\ \hline
|
| - |
|
290 |
11 & -0,00000117 \\ \hline
|
| - |
|
291 |
12 & -0,0000012 \\ \hline
|
| - |
|
292 |
\end{tabular}
|
| - |
|
293 |
\end{center}
|
| - |
|
294 |
\label{}
|
| - |
|
295 |
\end{table}
|
| 265 |
|
296 |
|
| - |
|
297 |
\begin{table}[htbp]
|
| - |
|
298 |
\caption{Náběhový proud pro teplotu 2108 K}
|
| - |
|
299 |
\begin{center}
|
| - |
|
300 |
\begin{tabular}{|c|c|}
|
| - |
|
301 |
\hline
|
| - |
|
302 |
U [V] & I [A] \\ \hline
|
| - |
|
303 |
4 & -0,00000004 \\ \hline
|
| - |
|
304 |
5 & -0,00000128 \\ \hline
|
| - |
|
305 |
6 & -0,00000091 \\ \hline
|
| - |
|
306 |
7 & -0,000001 \\ \hline
|
| - |
|
307 |
8 & -0,00000106 \\ \hline
|
| - |
|
308 |
9 & -0,00000111 \\ \hline
|
| - |
|
309 |
10 & -0,00000113 \\ \hline
|
| - |
|
310 |
11 & -0,00000116 \\ \hline
|
| - |
|
311 |
12 & -0,00000118 \\ \hline
|
| - |
|
312 |
\end{tabular}
|
| - |
|
313 |
\end{center}
|
| - |
|
314 |
\label{}
|
| - |
|
315 |
\end{table}
|
| 266 |
|
316 |
|
| - |
|
317 |
\begin{table}[htbp]
|
| - |
|
318 |
\caption{Náběhový proud pro teplotu 2156 K}
|
| - |
|
319 |
\begin{center}
|
| - |
|
320 |
\begin{tabular}{|c|c|}
|
| - |
|
321 |
\hline
|
| - |
|
322 |
U [V] & I [A] \\ \hline
|
| - |
|
323 |
4,1 & -0,00000004 \\ \hline
|
| - |
|
324 |
5 & -0,00000071 \\ \hline
|
| - |
|
325 |
6 & -0,00000077 \\ \hline
|
| - |
|
326 |
7 & -0,00000097 \\ \hline
|
| - |
|
327 |
8 & -0,00000103 \\ \hline
|
| - |
|
328 |
9 & -0,00000108 \\ \hline
|
| - |
|
329 |
10 & -0,00000111 \\ \hline
|
| - |
|
330 |
11 & -0,00000113 \\ \hline
|
| - |
|
331 |
12 & -0,00000116 \\ \hline
|
| - |
|
332 |
\end{tabular}
|
| - |
|
333 |
\end{center}
|
| - |
|
334 |
\label{}
|
| - |
|
335 |
\end{table}
|
| 267 |
|
336 |
|
| 268 |
|
337 |
|
| - |
|
338 |
\section{Diskuse}
|
| 269 |
|
339 |
|
| - |
|
340 |
\begin{itemize}
|
| - |
|
341 |
\item Změřili jsme závislost nasyceného proudu na teplotě. Měřený rozsah vyšel dobře do nasycené oblasti a naměřené hodnoty jsou proto téměř lineární.
|
| - |
|
342 |
|
| - |
|
343 |
\item Naměřené hodnoty jsme pro porovnání zobrazili do jednoho grafu. Lineární extrapolací jsme určili hodnoty proudu pro nulové napětí. Hodnotami jsme následně proložili přímku a Vypočetli Richardsonovu konstantu $A=(101 \pm 28) 10^4 Am^{-2}K^{-2}$ která se příliš neliší od předpokládané hodnoty $A=(80) 10^4 Am^{-2}K^{-2}$ bohužel výstupní práce vyšla $\varphi _{v}=(1.8\pm0.9)V$ což nelze považovat za příliš reálnou hodnotu.
|
| 270 |
|
344 |
|
| - |
|
345 |
\item Chyby při určování konstant z fitu naměřených hodnot budou pravděpodobně způsobeny nějakou systematickou chybou.
|
| 271 |
|
346 |
|
| - |
|
347 |
\item Závislost náběhového proudu pro záporné anodové napětí jsme změřili a uvedli v tabulce, ale pro nedostatek času jsme nepořídili příliš hodnot což se projevilo nepříznivě při fitování průběhů a zjištování teplot katody ze vzorce 5.
|
| - |
|
348 |
\item Z naměřených hodnot jsme se pokusili spočítat předpokládanou teplotu katody, kterou jsme v tabulce porovnali s teplotou změřenou Pyrometrem.
|
| 272 |
|
349 |
|
| - |
|
350 |
\item Naměřenou teplotu a žhavící výkon jsme uvedli v grafu.
|
| - |
|
351 |
\end{itemize}
|
| 273 |
|
352 |
|
| - |
|
353 |
\section{Závěr}
|
| 274 |
|
354 |
|
| - |
|
355 |
Při měření jsme si prakticky vyzkoušeli práci se sestavou vakuové techniky a zjistili komplikace při měření malých proudů v obvodu vakuové diody. Richardsonovu konstantu jsme určili fitováním grafu $A=(101 \pm 28) 10^4 Am^{-2}K^{-2}$. Výstupní práci elektronů pro wolfram jsme opět určili $\varphi _{v}=(1.8\pm0.9)V$, která se od skutečné hodnoty $\varphi _{v} \approx 4.5V$ výrazně liší.
|
| 275 |
|
356 |
|
| - |
|
357 |
\begin{thebibliography}{10} %REFERENCE
|
| - |
|
358 |
%\bibitem{3} doc. Ing. Ivan Štoll, CSc., \emph{Mechanika}, Vydavatelství ČVUT Praha, 1994
|
| - |
|
359 |
%\bibitem{3} $<$http://fyzika.fjfi.cvut.cz$>$
|
| 276 |
|
360 |
|
| - |
|
361 |
\end{thebibliography}
|
| 277 |
\end{document}
|
362 |
\end{document}
|
| 278 |
|
363 |
|