Fyzikální praktikum III

### Měření resonančního a ionizačního potenciálu rtuti. Franckův-Hertzův pokus.

Zapojení a postup při měření
Měření provádíme v zapojení podle obr.4 s elektronkou, vyráběnou speciálně k demonstraci Franckova-Hertzova pokusu (výrobce Leybold-Heraeus, kat.č.555 80). Proti původní úpravě pokusu je tato elektronka opatřena dvěma mřížkami. Mřížka G2 má stejnou funkci jako urychlující mřížka G na obr.1. Další mřížka G1 je umístěna v blízkosti katody. Přivedeme-li na ni malé záporné, případně kladné napětí vůči katodě, lze ovlivňovat proud elektronů tekoucí k urychlující mřížce podobně jako u obyčejné triody.

Obr. 4

Tak lze nastavit vhodnou velikost tohoto proudu, aniž by bylo třeba měnit žhavení katody. Katoda je nepřímo žhavena, žhavení se napájí z vinutí transformátoru s napětím 6,3 V. Zdířka S na destičce vývodů je propojena se stíněním elektronky.

Ke stejnosměrnému napájení elektronky používáme stabilizovaného napěťového zdroje Aritma, který obsahuje dva nezávislé regulovatelné zdroje napětí. Z jednoho zdroje odebíráme napětí pro řídící mřížku G1 (toto napětí by nemělo přesáhnout 4 V), z druhého přivádíme jeho maximální napětí 35 V na potenciometry R1, R2. Potenciometrem R1 regulujeme urychlující napětí mezi katodou a mřížkou G2, potenciometrem R2 brzdné napětí mezi mřížkou G2 a kolektorem. Obě tato napětí odečítáme na voltmetrech.

Pro měření resonančního potenciálu nastavíme potenciometrem R2 vhodnou hodnotu napětí U2 (asi 1 V). Při měření ionizačního potenciálu můžeme změnou napětí U1 současně měnit napětí U2 tak, aby bylo vždy o několik voltů vyšší než U1. Jednodušší však je, ponechat během celého měření napětí U2 na maximální hodnotě (asi 35 V). V obou případech se při vedení proudu v obvodu kolektoru uplatňují pouze ionty, případně fotoelektrony a dostáváme prakticky stejný průběh charakteristiky.

Napětí mřížky G1 volíme tak, abychom dosáhli potřebné velikosti proudu kolektoru. Je vhodné pracovat s co nejmenšími proudy, abychom omezili vliv prostorového náboje a zmenšili možnost zapálení samostatného výboje v elektronce.

Zobrazení charakteristik na osciloskopu
Ve schematu je vyznačeno zapojení osciloskopu Tesla BM 510, který umožňuje přehledné znázornění charakteristiky na stínítku obrazovky. Mezi svorky c,d (zapojení obr.4) je v tom případě připojeno zvláštní vinutí transformátoru a ke stejnosměrnému napětí U1 odebíranému z potenciometru R1 se přičítá střídavé napětí s efektivní hodnotou Ue = 8 V. Napětí z katody se přivádí na horizontální destičky osciloskopu, zatímco vertikálně vychylující napětí je úměrné proudu protékajícímu kolektorem A. Spád napětí na vstupních svorkách vertikálního zesilovače osciloskopu při nejvyšší citlivosti činí desítky mV, takže podstatně neovlivní pracovní režim elektronky. Na stínítku lze pozorovat úsek charakteristiky vymezený napětím katody vůči mřížce G2 v intervalu od do . Dvojitý obrys charakteristiky na stínítku je parasitní jev. Může být způsoben jednak napětím, které proniká na kolektor přes mezielektrodové kapacity, jednak tím, že některé procesy v elektronce probíhají příliš pomalu na to, aby se během periodických změn napětí na katodě ustavil rovnovážný stav.

Měření charakteristik bod po bodu
Pro podrobné proměření charakteristiky musí být katoda odpojena od vinutí transformátoru (svorka d) a připojena přímo na stejnosměrné napětí (svorka c, na obr.4 je propojení znázorněno čárkovaně). Dále zapojíme do obvodu kolektoru místo osciloskopu citlivý měřicí přístroj Tesla BM 483. Zemnící svorka tohoto přístroje i osciloskopu zůstává trvale spojena s jezdcem potenciometru R2, při výměně přepojujeme tedy pouze přívod kolektoru.

Použitý přístroj BM 483 je v podstatě stejnosměrný mikrovoltmetr s vysokým vstupním odporem. Využívá přeměny měřeného stejnosměrného napětí mechanickým kontaktovým modulátorem (tzv. chopper) na střídavé. Střídavé napětí frekvence 400 Hz je zesilováno běžným střídavým zesilovačem a po synchronní detekci indikováno ručkovým měřidlem. Levým přepínačem na panelu přístroje, označeným `RANGE`, přepínáme rozsahy mikrovoltmetru od 100 V do 10 V. Pravým přepínačem `INPUT RESISTANCE` lze paralelně ke vstupu mikrovoltmetru připojovat odpory 1 až 10 ohmů, zabudované v přístroji. V poloze "nekonečno" jsou odpory odpojeny. S těmito odpory lze přístroje užít k měření malých proudů - jako pikoampérmetru. Proudový rozsah přístroje vypočteme, dělíme-li zvolený napěťový rozsah hodnotou použitého odporu. V naší úloze je třeba měřit proudy řádu 10-8 až 10-9 A, k čemuž budeme využívat pouze napěťových rozsahů 1 mV, 3 mV nebo 10 mV. Na nejcitlivějších rozsazích má přístroj hrubší stabilitu, na hrubších by se v měřeném obvodu mohl nepříznivě uplatňovat spád napětí na přístroji.

V panelu přístroje je dále umístěn přepínač polarity napětí či proudu se třemi polohami: `+`, `-`, `0`. Ve třetí poloze označené `0` pracuje přístroj s nulou uprostřed stupnice.

Po zapnutí přístroje na síť jej necháme asi čtvrt hodiny ustálit. Před začátkem a občas i během měření kontrolujeme a případně dostavujeme nulovou polohu přístroje. Dostavení provádíme při odpojeném vstupu nejprve na hrubších a pak na jemnějších napěťových rozsazích. Nulu nastavujeme potenciometrem `ZERO U` při nízkém vstupním odporu 1 a potenciometrem `ZERO I` při vysokém (107 ohmů). Protože tato nastavení se navzájem poněkud ovlivňují, je třeba několikrát je střídavě opakovat.

Pro přístroj se uvádí přesnost 3% z maximální výchylky na rozsazích 1 mV a 3 mV, 2% na rozsahu 10 mV a vyšších. Při měření proudu se může navíc uplatnit nepřesnost vstupního odporu. U odporů 1 ohm a 107 ohmů je zaručena přesnost ±2%, u ostatních odporů ±1%.

Při měření každého průběhu volte napětí na mřížce G1 tak, aby proudy při měření nepřesáhly hodnotu 3*10-8 A.

Pokud by v elektronce vznikl samostatný výboj (projeví se na měřícím přístroji či na stínítku osciloskopu silným vzrůstem proudu), okamžitě výboj přerušte snížením napětí U1, případně zvýšením záporného napětí na mřížce G1. Výbojem se elektronika ničí.

Při manipulaci s elektronkou se mohou kapičky rtuti dostat mezi elektrody a způsobit zkrat. Proto jsou přívody k elektrodám jištěny tavnými pojistkami. Pojistky v případě potřeby zkontroluje dozírající asistent.

Pícka, v níž je elektronka umístěna, je napájena z regulačního transformátoru. Pícka má značnou tepelnou setrvačnost. Pro rychlejší ustálení teploty v pícce proto doporučujeme postupovat takto:

Po proměření charakteristiky za pokojové teploty nastavíme na transformátoru napětí 90 V, které asi po 25 minutách snížíme na 60 V. Asi po 5 minutách je zhruba ustálena teplota t1 a lze přikročit k měření průběhu pro určení ionisačního potenciálu. Po měření nastavíme napětí 120 V, které zhruba po 25 minutách snížíme na 90 V. Po 5 minutách je v pícce ustálena teplota t2 vhodná k měření resonančního potenciálu.

Navazuje-li na váš běh praktika bezprostředně další běh, ve kterém se opět měří tato úloha, pícku po skončení měření nevypínejte. Následující skupina proměří nejprve průběh pro určení resonančního potenciálu. Potom sníží napětí na regulačním transformátoru na 0 V na dobu 25 minut. Potom nastaví 60 V a po 5 minutách změří ionisační potenciál. Nakonec proměří charakteristiku za pokojové teploty. Pro rychlejší vychladnutí trubice ji může dozírající asistent vytáhnout z pícky.

Popsaný způsob regulace nezaručuje příliš dobrou dlouhodobou stabilitu teploty pícky. Pro kontrolu tepelných změn je v pícce instalován termočlánek. Relativní změny napětí pomohou sledovat relativní změny teploty v pícce a tedy i ve FH trubici. Relativní změny proto, že termočlánek má jeden ze dvou spojů na nestabilizované teplotě laboratoře a není tedy zkalibrován. Proto je vhodné při měření charkateristiky postupovat bez zbytečných prodlení a přestávek. Charakteristika by měla být proměřena v jednom sledu. Pozdější doměřování dalších hodnot nedává dobré výsledky, neboť není zaručena stejná teplota v pícce.

Chyba Zpět Literatura

Kabinet výuky obecné fyziky

0 | 0 | 0 | 6 | 5 | 2 | 9

Tomáš Drbohlav, 4. 11. 2004