Описание экспериментальной установки ФПК-02

 

Лабораторная установка ФПК-02 (см. Прил. 1) представлена на рис. 7.3. Объект исследования выполнен на базе манометрической лампы ПМИ-2, заполненной криптоном при давлении около 1 мм рт. ст. Лампа помещена в металлический корпус, закрепленный на штативе. Манометрическая лампа ПМИ-2 и ее устройство показаны на рис. 7.4.

Рис. 7.3. Лабораторная установка ФПК-02: 1 – осциллограф, 2 – табло индикации напряжения катод-сетка, 3 – измерительное устройство, 4 –объект исследования в металлическом корпусе на штативе.

 

Рис. 7.4. Манометрическая лампа ПМИ-2 (а) и ее устройство (б). Нить накала 1 одновременно является катодом лампы, сетка 2 выполнена в виде спирали, навитой вкруг нити накала, вокруг сетки расположен цилиндрический катод 3, стеклянный баллон лампы 4 установлен на цоколе 5.

а

б

Принцип действия установки состоит в получении на экране осциллографа зависимости анодного тока I_а газонаполненной лампы (триода с подогреваемым катодом) от напряжения катод-сетка U_кс при фиксированном напряжении анод-сетка с последующим измерением напряжения в характерных точках.

На передней панели корпуса измерительного устройства расположены органы управления (ручки “НАКАЛ”, “ГРУБО” и “ТОЧНО”), табло индикации напряжения катод-сетка и выходы для подключения осциллографа и его синхронизации. На задней стенке устройства измерительного расположены сетевой выключатель, сетевой шнур, предохранители, клемма заземления и разъем для подключения объекта исследования.

На сетку лампы ПМИ-2 подаются импульсы пилообразного напряжения амплитудой примерно 40 В. Кроме того, на лампу ПМИ-2 подается также регулируемое напряжение накала U_н и запирающее напряжение U_зап, которые обеспечивают нормальный режим работы лампы. Анодный ток лампы I_а измерительным устройством преобразуется в пропорциональное току напряжение и подается на вход осциллографа. На экране осциллографа отображается зависимость I_а от напряжения U_кс (вольтамперная характеристика, ВАХ, см. рис. 7.5).

 

Рис. 7.5. Вольтамперная характеристика и маркер (точка над вторым локальным максимумом) на экране осциллографа

 

Устройство измерительное при этом формирует на экране осциллографа маркер, который можно перемещать по экрану осциллографа при помощи ручек ГРУБО и ТОЧНО. При наведении маркера на интересуемые точки отображаемого графика, происходит совпадение опорного напряжения и мгновенного пилообразного напряжения, что позволяет измерять напряжение U_кс с помощью цифрового измерителя напряжения.

Следует отметить, что несколько причин приводят к тому, что провалы на ВАХ (рис. 7.5) отличаются от идеализированной кривой (рис. 7.2).

1. Разброс электронов по энергии из-за пространственного заряда в прикатодной области, высокой температуры термоэмиссионного катода и, в случае прямого канала, падения потенциала на нем.

2. Зависимость сечения возбуждения от энергии электрона. При энергиях электрона близких к энергии возбуждения атома существует высокая вероятность временного захвата электрона атомом с образованием отрицательного иона. После отрыва электрона атом возвращается в основное состояние.

3. Вклад в преодоление задерживающего поля вносит только продольная составляющая скорости электронов, а не полная скорость, которая меняется при упругих столкновениях.

4. Наличие контактной разности потенциалов между катодом и анодом и катодом и сеткой. Контактная разность возникает из-за того, что работа выхода электрона из катода меньше чем работа выхода из анода.

5. Пространственный потенциал создаваемый самими электронами. Его влияние будет максимальным в области наибольшей плотности электронов – вблизи катода и будет проявляться в первую очередь на первом максимуме.

Кнопки и регуляторы осциллографа, используемые в этой работе, представлены на рис. 7.6.

 

Рис. 7.6. Передняя панель осциллографа: 1 – кнопка включения/выключения, 2 – регулятор яркости графиков, 3 – регулятор яркости надписей, 4 – дисплей, 5 – кнопка «Auto Set», 6 – регулятор горизонтального положения графика сигнала с первого канала, 7 – регулятор масштаба графика сигнала с первого канала, 8 – гнездо подачи сигнала на первый канал, 9 – кнопка включения/отключения первого канала, 10 – регулятор частоты опроса каналов.

 

Порядок выполнения работы

1. Подключите провод, соединяющий измерительное устройство и осциллограф. Подключение к осциллографу производится в первый канал, другой конец провода подключается к измерительному устройству: провод с синим колпачком – в гнездо «общий», с красным колпачком – в гнездо «выход».

2. Поверните регуляторы «ГРУБО» и «ТОЧНО» измерительной установки до упора против часовой стрелки. Включите устройство измерительное и прогрейте лампу в течение 10 минут. Включите осциллограф.

3. Нажмите кнопку “AUTO SET” на передней панели осциллографа.

4. Ручкой “TIME/DIV” установите “A 5 μs”.

5. Ручкой “VOLTS/DIV” первого канала установите “ ”.

6. Нажмите кнопку “NORM”, при этом загорится ее индикатор.

7. Поворачивая ручку “TRIG LEVEL” влево и вправо, получите возможно более четкий мерцающий график (при этом TRIG=–2.000V). График, который необходимо получить, представлен на рис. 7.5, 7.7.

8. Перечертите график с экрана осциллографа в отчет по лабораторной работе (или сфотографируйте его и предъявите преподавателю при защите работы), обозначьте на нем все локальные минимумы и максимумы, см. рис. 7.7.

Рис. 7.7. Локальные максимумы и минимумы вольтамперной характеристики и потенциал возбуждения атомов газа

 

9. Для более точного измерения величины U_кс1 первого локального максимума (для увеличения горизонтального масштаба) ручкой TIME/DIV, установите “А 1 μs ”. Медленно вращая ручку «ГРУБО» установите маркер на первый локальный максимум. Когда левый край маркера совпадет с точкой максимума, занесите показание с табло индикации в табл. 7.1.

Таблица 7.1

	Uкс1, В	Uкс2, В	Uкс3, В		Uкс4, В	Uкс5, В, …
ΔU, В
ΔUср, В

 

10. Для более точного измерения величины U_кс2 первого локального минимума (для уменьшения горизонтального масштаба) ручкой “TIME/DIV”, установите “А 2 μs ”. Медленно вращая ручку «ГРУБО» установите маркер на первый локальный минимум. Когда левый край маркера совпадет с точкой минимума, занесите показание с табло индикации в табл. 7.1.

11. Для более точного измерения величины U_кс3 второго локального максимума (для уменьшения горизонтального масштаба) ручкой “TIME/DIV’, установите “А 5 μs ”. Занесите показания в табл. 7.1. Аналогично измерьте положение других наблюдаемых локальных минимумов и максимумов.

12. Режим работы установки прерывистый. Через каждые 2 часа непрерывной работы необходимо сделать перерыв 15 минут. По завершении измерений поверните ручки «ГРУБО» и «ТОЧНО» измерительного устройства до упора против часовой стрелки. Отключите осциллограф. Отключите измерительное устройство. Отсоедините сетевой кабель. Приведите рабочее место в порядок.

13. По результатам измерений определите и занесите в табл. 7.1 значения энергий потенциала возбуждения криптона (резонансного потенциала) ΔU, В:

ΔU= U_кс3 –U_кс1 ,                         (7.2)

14. Объясните причину существенного различия в значениях потенциалов возбуждения атомов криптона и ртути.

Контрольные вопросы

1. Расскажите о схеме опыта Франка-Герца.

2. Расскажите об устройстве газонаполненной электронной лампы, используемой в лабораторной установке. Каким образом обеспечиваются в ней благоприятные условия для наблюдения проявлений неупругих столкновений электронов с атомами газа? Для чего в опыте Франка и Герца служит сетка?

3. Объясните ход графика, приведенного в отчете. Расскажите о происхождении минимумов на вольтамперной характеристики лампы и их связи с энергетическими уровнями атома газа. Как влияет на ход вольтамперной характеристики величина задерживающего потенциала?

4. Какими путями может быть вызвано возбуждение атомов газа? Что такое потенциал возбуждения атома?

5. Сформулируйте первый и второй постулаты Нильса Бора.

6. Перечислите причины отличий графика, полученного на экране осциллографа, от идеализированной кривой на рис. 7.2.

Лабораторная работа № 8.
Упругие и неупругие столкновения электронов с атомом ксенона

 

Цель работы: изучение проявлений корпускулярно-волнового дуализма частиц при упругих столкновениях медленных электронов с атомами ксенона и определение его потенциала возбуждения.

Приборы и принадлежности: измерительный блок с газонаполненной лампой – тиратроном ТГ3-0,1/1,3.