Экспериментальная часть
Внешний вид установки показан на рис.3.
Рис.3. Внешний вид установки для проведения опытов Франка-Герца.
1 – термостат с трехэлектродной лампой; 2 – источник питания; 3 – монитор.
Трехэлектродная лампа 1 (рис.3) заполнена парами ртути и предназначена для определения уровней возбуждения атомов ртути в результате их столкновения с электронами. Лампа, используемая в экспериментах, представляет собой триод с плоскими параллельными электродами: нагреваемый катод, покрытый окисью для усиления эмиссии электронов, ускоряющий электрод, выполненный в виде сетки, и собирающий электрод. Расстояние между катодом и сеткой значительно превышает длину свободного пробега электронов в парах ртути при используемых температурах для того, чтобы сделать вероятность взаимодействия максимально высокой. Расстояние же между сеткой и собирающим электродом (анодом) напротив, незначительно.
Первые максимумы на кривой зависимости тока от ускоряющего напряжения лучше всего наблюдать при низких температурах трехэлектродной лампы. В основном, используются температуры около 165°С. Однако, в ряде случаев лучшие экспериментальные результаты могут быть получены как при более низких (менее 150°C), так и при более высоких температурах (свыше 220°C).Нагрев лампы осуществляется для того, чтобы находящаяся в ней ртуть испарилась, и образовался пар соответствующей плотности.
Для нагрева трехэлектродная лампа помещается в нагревательный шкаф (термостат) 1 (рис.3), который соединяется с сетью переменного напряжения 220 В посредством шнура питания со штепсельной вилкой. И шнур, и вилка устойчивы к воздействию высоких температур. Внешний вид термостата показан на рис.4.
Рис.4. Внешний вид термостата.
1 – ручка регулирования мощности нагрева.
Рис.5. Внешний вид блока питания и управления исследуемой лампы: 1 – кнопка «Function», для изменения режимов управления блоком питания; 2 – дисплей блока питания.
Блок питания и управления (рис.5) необходим для построения вольт-амперной характеристики в опыте Франка-Герца на экране монитора компьютера 3 (рис.3). На его передней панели представлены схемы подключения трехэлектродной лампы для двух случаев проведения эксперимента – для лампы с неоном и с ртутью. В данной работе используется лампа с ртутью, схема подключения для этого случая представлена на рис.6.
Рис.6. Схема подключения лампы Франка-Герца для лампы с ртутью.
Снятие вольт-амперной характеристики осуществляется в автоматическом режиме с помощью компьютера, подсоединенного к блоку питания и управления.
Методика выполнения работы
Целью работы является определение потенциала возбуждения атомов ртути путем измерения вольтамперной характеристики при различных температурах. Для этого необходимо выполнить следующие действия.
1. Включите компьютер. Войдите в систему под учетной записью «Student».
2. Включите установку, нажав тумблер «Сеть» на задней панели блока питания и управления. Нажатием кнопки «Function» (рис.5, поз.1) выберите управление с компьютера – должны загореться светодиод у надписи «PC» на передней панели блока питания и надпись «PC» на его дисплее (рис.5, поз.2).
3. Откройте программу «Measure».
4. В контекстном меню «Прибор» выберите пункт «Эксперимент Франка-Герца (ЭФГ)». Откроется окно управления параметрами эксперимента (рис.7). Установите параметры в соответствии с рисунком:
В разделе «Режим» выберите «Автоконтроль».
В разделе «Каналы» выберите «ток IА», «Такттемпературу», «НапряжениеU2» и «НапряжениеUH».
В разделе «Параметры» установите «Падение напряжения» 60 В и «Напряжение UH» 6,3 В. Задерживающее «НапряжениеU2» изначально устанавливается в пределах от 0 до 3 В, а «ТемператураТакт» – от 170 до 190С. Их оптимальные значения подбираются в ходе эксперимента.
В разделе «Дисплей» выберите (поставьте галочку) U1,U2,UH,IА,Такт.
Нажмите кнопку «Далее».
Рис.7. Окно управления параметрами эксперимента.
5. Появится окно контроля температуры, в котором выводится текущая и заданная температуры (рис.8). Одновременно с этим начинается нагрев термостата. Необходимо дождаться, когда текущая температура достигнет заданного значения. Этот процесс может занять от 10 до 20 минут. Мощность нагрева термостата можно регулировать с помощью ручки, расположенной на кожухе с правой стороны (рис.4, поз.1). На начальном этапе нагрева рекомендуется вращением по часовой стрелке вывести её в крайнее положение.
Рис.8. Окно контроля температуры.
Поддержание заданной температуры происходит автоматически при помощи имеющегося внутри термостата биметаллического выключателя. В том случае, если биметаллический выключатель не отключил нагреватель, когда температура превысила необходимую приблизительно на 5°C, ручку регулятора следует поворачивать против часовой стрелки до тех пор, пока биметаллический выключатель не отключит нагреватель (послышится звук щелчка). В случае необходимости регулировку необходимо проводить несколько раз, пока не будет достигнута нужная температура (приблизительно через 15 минут после начала нагревания). Погрешность поддержания температуры составляет ±15°C.