Продовження таблиці 4.1

№ п/п	lAB, 10-2м	ΔlAB, 10-2м	g, м/с2	η, Па*с	Δη, Па*с	,%
1
2
3
С.з

4.8 Оцінити відносну та абсолютну похибки обчислень.

4.9 Результат роботи подати у вигляді η=η_с η_с, вказавши також величину ,

? Контрольні запитання і завдання

1. Сформулювати закон Ньютона для сили в'язкого тертя.

2. Розкрити фізичний зміст коефіцієнт в'язкості, вказати одиниці його вимірювання.

3. Сформулювати закон Стокса для сили в'язкості.

4. Які сили діють на тіло при його русі в рідині? Які умови рівномірного руху тіла в рідині?

5. При яких умовах формули (3.1) та (3.6) є справедливими?

6. Чому необхідно, щоб кульки мали діаметр значно менший, ніж внутрішній діаметр циліндричної посудини?

Лабораторна робота № 13

Рух зарядженої частинки у електричному полі

Теоретичні відомості.

Рух заряджених часток в електричному полі широко використовується в сучасних електронних приладах, зокрема, в електронно-променевих трубках з електростатичною системою відхилення електронного пучка.

ЕЛЕКТРИЧНИЙ ЗАРЯД є величина, що характеризує здатність об'єкта створювати електричне поле й взаємодіяти з електричним полем.

точковий ЗАРЯД це абстрактний об'єкт (модель), що має вид матеріальної точки, що несе електричний заряд (заряджена МТ).

ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЕ є область простору, у якій на заряжений об'єкт діє сила, названа електричною.

ОСНОВНИМИ ВЛАСТИВОСТЯМИ заряду є:

• аддитивність (сумування);

• інваріантність (однаковість у всіх інерціальних системах відліку);

• дискретність (наявність елементарного заряду, позначуваного е, і кратність будь-якого заряду цьому елементарному: q = Ne, де N - будь-яке ціле позитивне і негативне число);

• підпорядкування закону збереження заряду (сумарний заряд електрично ізольованої системи, через границі якої не можуть проникати заряжені частинки, зберігається);

• наявність позитивних і негативних зарядів (заряд величина алгебраїчна).

ЗАКОН КУЛОНА визначає силу взаємодії двох точкових зарядів

,

де - одиничний вектор, спрямований від першого заряду q₁ до другого q₂.

НАПРУЖЕНІСТЮ називається векторна характеристика поля, чисельно рівна відношенню сили , діючої на точковий заряд, до величини q цього заряду

.

Якщо задано напруженість електричного поля, тоді сила, що діє на заряд, буде визначатися формулою .

ОДНОРІДНИМ називається поле, напруженість якого у всіх точках однакова як по величині, так і по напрямку. Сила, що діє на заряджену частинку в однорідному полі, скрізь однакова, тому незмінним буде й прискорення частинки, обумовлене другим законом Ньютона (при малих швидкостях руху V<<c, де с - швидкість світла у вакуумі):

= const. Тоді Y = , і

, де Y - зсув частки по вертикалі й V_Y - вертикальний компонент швидкості в момент часу, коли частка вилітає з конденсатора.

Методика і порядок вимірювання

Уважно розгляньте малюнок, знайдіть всі регулятори й інші основні елементи.

Замалюйте поле експерименту й траєкторію руху частки. Нажавши кнопку "Старт"("Run"), спостерігайте на екрані рух частки.

ВИМірювання:

1. Натисніть мишею кнопку "Вибір"("Reset"). Підведіть маркер миші до движка регулятора напруженості Е. Натисніть ліву кнопку миші й, утримуючи її в натиснутому стані, міняйте Е. Встановіть числове значення Е, рівне взя-тому з таблиці 1 для вашої бригади.

2. Аналогічним способом встановіть V_0X = 2 10⁶ м/с, V_0Y = 0. Нажавши кнопку "Старт", спостерігайте рух частки. Збільшуючи V_0X , підберіть мінімальне значення, при якому частка вилітає з конденсатора. Запишіть значення довжини пластин конденсатора L.

3. Проведіть виміри параметрів руху частки в момент вильоту з конденсатора. Запишіть числові значення з екрана в таблицю 2.

4. Повторіть виміри по п.3 ще 5 разів, щораз збільшуючи V_0X на 0.2 10⁶м/с. Результати записуйте в таблицю 2. Напруженість электричного поля (не перемальовувати)

ТАБЛИЦЯ 1

Бригада	1	2	3	4	5	6	7	8
Е [В/м]	100	200	300	400	-100	-200	-300	-400

ТАБЛИЦЯ 2. Результати вимірів при Е = ____ В/м, L = _____ м.

V0X [Мм/с]
Y[мм]
X[мм]
tруху [нс]
VX [Мм/с]
VY [Мм/с]

ОБРОБКА РЕЗУЛЬТАТІВ І ОФОРМЛЕННЯ ЗВІТУ.

1. Побудуйте графік експериментальних залежностей вертикального зсуву на вильоті з конденсатора (Y) від квадрата оберненої початкової швидкості (1/V_0X)².

2. Для графіка визначите по його нахилі експериментальне значення питомого заряду частки, використовуючи формули .

3. Розрахуйте середнє значення експериментально отриманого питомого заряду частки.

4. Запишіть відповідь. Сформулюйте висновки по відповіді й графіку.

Табличне значення питомогоого заряду электрона e/m = 1.76 10¹¹ Кл/кг.

? Контрольні запитання і завдання

1. Дайте визначення електричного заряду..

2. Виберіть, до якого класу характеристик ставиться електричний заря

• характеристика руху,

• характеристика впливу ,

• характеристика об'єкта

3. Перелічіть всі властивості заряду.

4. Сформулюйте властивість дискретності заряду.

5. Сформулюйте властивість аддитивности заряду.

6. Сформулюйте властивість інваріантості заряду.

7. Напишіть закон Кулона для сили взаємодії двох нерухомих зарядів.

8. Дайте визначення електростатичного (електричного) поля.

9. Дайте визначення напруженості електричного поля

10. Напишіть формулу, що визначає напруженість електричного поля.

11. Напишіть формулу, що визначає електричну силу, що діє на точковий заряд в електричному полі із заданою напруженістю.

12. .Напишіть формулу для напруженості електричного поля точкового заряду, розташованого на початку координат.

13. Сформулируйте принцип суперпозиции для електричного поля

14. Дайте визначення потенціалу електричного поля.

15. Напишіть формулу для потенціалу електричного поля точкового заряду, розташованого на початку координат.

16. Яке поле називається однорідним?

17. Що таке конденсатор?

18. Напишіть формулу ємності плоского конденсатора.

19. Яке поле існує між пластинами плоского конденсатора?

Лабораторна робота № 14

Визначення ємності конденсаторів.

Прилади і матеріали: 1) універсальний місток Сотті; 2) генератор ГЗЛ-1; 3) набір ємностей 50—1000 пФ та від 100 пФ до 10 мкФ. 4) телефон; 5) з’єднувальні провідники.

Теоретичні відомості та опис приладів.

Конденсатор — це система, що складається з двох розділених діелектриком різнойменно заряджених провідників, близько розміщених один від одного. Другий провідник збігається з однією з еквіпотенціальних поверхонь поля першого. Чисельно заряди таких провідників дорівнюють один одному, але їх знаки протилежні. Самі провідники називаються обкладками конденсатора. Тоді в загальному випадку різниця потенціалів між провідниками

j₁-j₂=q/C,

де j — заряд однієї з обкладок, С — ємність.

Якщо одну з обкладок віддаляти у "нескінченність", то різниця потенціалів зростатиме, а взаємна ємність зменшуватиметься і прямуватиме до ємності відокремленого провідника. Для відокремлених або симетрично розташованих провідників правильної геометричної форми в однорідному середовищі електроємність можна обчислити за їх геометричними розмірами.

Для відокремленої кулі радіуса R ємність визначається формулою

C=4pee_o R.

Для сферичного конденсатора з внутрішньою сферою радіуса R₁ і зовнішньою — радіуса R₂

C=4pee_o R₁R₂/(R₂-R₁),

для циліндричного конденсатора висотою l:

C=2pee_o l/ln(R₂/R₁)

(можливими спотвореннями поля поблизу країв конденсатора нехтуємо).

Широкого практичного застосування набули місткові методи вимірювання ємності. Вони мають ряд переваг над іншими методами, наприклад: забезпечують високу точність вимірювання; дають змогу за допомогою лише одного еталонного конденсатора вимірювати ємності, які за своїми величинами відрізняються на один-два порядки,та ін. Для підвищення точності вимірювання і одержання надійних результатів треба добре екранувати всі робочі деталі установки.

Рис 1

Зручним для вимірювання є метод зрівноваженого містка, схему якого зображено на рис. 1.

До точок А і В підводиться напруга частотою 100—1000 Гц. У вітках АС i АD виникають відповідно струми І₁ і І_х R₁, R₂, R_x, R₃— опори, які можна підібрати так, щоб у вітці СD струму не було. В діагональ містка СD включено індикатор нуля змінного струму.

Тоді спади напруги між точками A,C і А,D будуть однаковими як за величиною, так і за фазою. При цих умовах у вітках АС і СВ проходитиме струм I₁, а у вітках АD і DВ— струм I_x Опори R₁, R₂, R_x, R₃ можуть бути активні, реактивні (ємнісні або індуктивні) чи комплексні. Один з опорів невідомий. Можна показати, що умовами рівноваги містка є рівність між собою добутків повних опорів і сум фазових кутів між струмом і напругою протилежних плечей містка, тобто:

R_xR₂=R₁R₃,

j_x+j₂=j₁+j₃,

де j — зсув фаз між струмом і напругою.

Умови рівноваги для містка змінного струму,як видно,складаються з двох рівностей (на відміну від містка постійного струму). Це пояснюється тим, що напруги на опорах Rх і R₁ повинні збігатися як за амплітудою, так і за фазою.

Першу умову завжди можна реалізувати підбором опорів плечей містка. Виконання другої умови залежить від правильності вибору схеми містка.

На рис. Рис.2 і Рис.3 зображено типові схеми містків для вимірювання ємності.

Рис.2 Рис.3

В плече Rх містка включають невідому ємність C_x(Рис.2). Місток зрівноважується за допомогою зміни еталонного опору і ємності C₁ доти, поки у вітці СD не стане струму. Рівність потенціалів точок С і D можна зафіксувати телефоном. Гучність звуку при рівності потенціалів точок С і D буде мінімальна. Із двох останніх формул знаходимо робочу формулу

C_x=C₁R₁/R₂

На рис. 3 зображено схему містка Сотті, особливістю якої є застосування реохорда R₁—R₂ і сталої ємності (еталонний конденсатор Со). Тоді робоча формула:

C_x=C₀l₁/l_2., (1)

де l₁ і l₂ довжини плеч реохорда.

Порядок виконання роботи

Рис.4

1.Ознайомитися з будовою і принципом роботи містка містка Сотті.

2. Скласти електричне коло, наведене на рис. 4. Виміряти ємність кількох конденсаторів від 100 пФ до 10 мкФ містковим методом (робоча формула 1 ).

3. Перевірити закони послідовного і паралельного з'єднань конденсаторів,

4. Обчислити похибку вимірювання ємності.

? Контрольні запитання і завдання

1. Дайте означення ємності, назвіть одиниці вимірювання ємності.

2. Поясніть будову містка змінного струму і особливості вимірювання ємностей цим методом.

Лабораторна робота №15

Вивчення залежності опору металів від температури і визначення температурного коефіцієнта опору.

Прилади і матеріали:1) термостат; 2) цифровий вольтметр типу В7-20 (В7-27) або місток постійного струму для вимірювання опорів, наприклад, типу МВУ-49; 3) досліджуваний провідник.

Теоретичні відомості та опис приладів.

•Електричний опір ділянки кола — це величина, яка чисельно дорівнює відношенню напруги на кінцях цієї ділянки до сили струму в ній. Для постійного струму електричний опір називається активним. Він залежить від матеріалу провідника, його розмірів і форми. Для однорідного провідника із сталим поперечним перерізом довжиною:

,

де ρ — питомий опір провідника.

Для неоднорідного провідника опір можна обчислити за формулою:

.

Електричний опір металів істотно залежить від температури. Взагалі, ця залежність має складний характер, але якщо розгля­дати обмежені інтервали температур, то можна записати для опору і питомого опору залежності:

,

, (1)

де R₀,ρ₀ — значення опору і питомого опору при температурі 0°С, R і ρ — опір і питомий опір при температурі t; a — температурний коефіцієнт опору, який є сталим лише для невеликих температурних інтервалів. Для більш широких температурних інтервалів темпера­турний коефіцієнт a залежить від температури.

Середнє значення температурного коефіцієнта опору в невеликому інтервалі температур визначається як:

. (2)

Взявши безмежно малі інтервали температур, дістанемо точне значення

. (3)

На графіку залежності a від температури виражає значення кутового коефіцієнта дотичної, проведеної через дану точку кривої. Тому графічно, користуючись (2), можна досить легко визначити температурний коефіцієнт при даній температурі.

Для вимірювання електричного опору скористаємось містковою схемою. Місткові методи вимірювання параметрів електричних кіл широко застосовуються у вимірювальній техніці. Ці методи дають змогу вимірювати опори з високою точністю. Точність обумовлена застосуванням змінних зразкових мір опору, з якими порівнюються невідомі опори.

Вивчення температурної залежності опору металів має важливе значення в експериментальній фізиці і особливо в метрології. На властивості металів змінювати опір із зміною температури ґрунтується принцип роботи термометрів опору, призначених для вимірювання температури.

Термометри опору—це високочутливі прилади, здатні вимірювати різницю температур менш як 0,001 К. Вони позбавлені цілого ряду недоліків, властивих рідинним термометрам(залежності показів від температури середовища, депресії скла, похибок при градуюванні тощо), тому термометри опору застосовують при температурних вимірюваннях в досить широкому інтервалі — від температур поблизу абсолютного нуля до 100 К.

Найкращим матеріалом для термометрів опору є чиста платина, яка в широкому інтервалі температур стабільно зберігає свої властивості. Крім платини, для виготовлення термометрів опору широко застосовується мідь. Вимірявши електричний опір за допомогою містка, можна точно визначити температуру об'єкта.

На рис. 2 зображено схему установки для визначення температурної залежності опору металів.

Рис. 2

Порядок виконання роботи

1. Вивчити схему установки, підготувати до роботи омметр для вимірювання опору.

2. Виміряти опір при кімнатній температурі. Зняти покази термометра. Вимірювання провести кілька разів, взяти середнє значення опору R.

3. При збільшенні температури термостата на 15—20 К зафіксувати опір, протягом 1—2 хв. провести повторні вимірювання опору і взяти середнє значення.

4. Стрибкоподібно змінюючи щоразу температуру на 10—15 К через однакові інтервали, провести вимірювання опору, а також температури до максимально можливої, яку визначає викладач.

5. Результати експерименту подати графічно (залежність R=f(T)). Обчислити середнє значення температурного коефіцієнта опору за формулою (2) і його точне значення за формулою (3)

6. Обчислити похибки вимірювань.

? Контрольні запитання і завдання

1. У чому суть класичної електронної теорії провідності металів?

2. Назвіть способи вимірювання температури.

3. Дайте характеристику абсолютної шкали температур.

4. Які переваги і недоліки вимірювання температури за допомогою термометрів опору порівняно з вимірюванням її звичайними термометрами?

5. Дати означення температурного коефіцієнта опору.

Лабораторна робота № 16

Перевірка закону Ома для повного кола

Електричний струм – рух електричних зарядів. У металах – це рух електронів у проти напряму поля, в електролітах – іонів різних знаків у протилежних напрямах, у газах – електронів іонів, у напівпровідниках – електронів і дірок. Для збудження електричного струму в тілах треба створити електричне поле. Щоб струм був тривалим, енергія поля повинна підтримуватися сталою. Це здійснюється за допомогою джерел струму.

Як показує дослід, для металів густин електричного струму пропорційна напруженості електричного поля

де а — стала для даного матеріалу величина, що називається питомою електричною провідністю (вимірюється в сименсах). Величина, обернена до питомої електричної провідності, називається питомим електричним опором (вимірюється в омах на метр). Це один із основних законів електродинаміки — закон Ома в диференціальній формі.

З урахуванням напруженості поля сторонніх сил, які утворюють ЕРС, закон Ома записується у вигляді

Електрорушійною силою & джерела струму називають величину, яка дорівнює відношенню роботи А, що виконується сторонніми си­лами, при переміщенні позитивного заряду вздовж усього електрич­ного кола, включаючи джерело струму, з поверненням у вихідну точ­ку, до заряду q:

В інтегральній формі закон Ома для неоднорідної ділянки з влас­ною ЕРС має вигляд

(1)

Для ділянки кола без джерела ЕРС маємо , або U = IR, де U — електрична напруга (падіння напруги).

Для замкненого кола потенціали точок 1 і 2 однакові, тобто 0. і рівність (1) переходить в закон Ома для замкненого кола:

де — повний опір кола Закон Ома для парноіонних електролітів має вигляд

де п₀ — концентрація іонів у розчині; q — заряд іона; a — коефіцієнт дисоціації; , —рухливість додатних і від'ємних іонів; Е — напруженість зовнішнього електричного поля.

Перевірка закону Ома для повного кола

Прилади і матеріали: 1) акумуляторні батареї ₁= 6B; ₂=₃= 1,2 В; 2) вольтметр типу 3515 на 15 В; 3) амперметр типу 9514 на 1— 2 А; 4) два реостати до 15 Ом кожен типу РПШ-5; 5) резистор на 1—6 Ом; 6) міс­ток постійного струму для вимірювання опорів; 7) два вимикачі.

Теоретичні відомості та опис приладів

Закон Ома у формі U = IR справджується лише для однорідної ділянки кола, тобто такої, на якій немає стрибків потенціалів за рахунок контактних явищ або дії електрорушійних сил.

Рис. 1 Рис. 2

Розглянемо неоднорідну ділянку кола 1—2 (рис. 1), на кінцях якої діє різниця потенціалів . ЕРС, що діє на даній неоднорід­ній ділянці кола, позначимо . Задамо напрям струму

Тоді , якщо вона діє в напрямі струму (позначено стрілкою). Скористаємось законом збереження і перетворення енергії. Оскільки провідники нерухомі, то робота dA електростатичних і сторонніх сил, яка виконується при переміщенні заряду dq на ділянці 1—2, дорів­нює кількості теплоти dQ, яка виділилась за час проходження заряду dq. Тому можна записати

Прирівняємо праві частини рівнянь, тоді матимемо

(1)

Це закон Ома для неоднорідної ділянки кола. Якщо неоднорідна час­тина кола складається з кількох ділянок, то формулу (1) можна уза­гальнити на будь-яке число ділянок:

де —загальний опір усієї ділянки кола; —алгебраїчна сума ЕРС, що діють на цій ділянці.

Схему установки наведено на рис. 2. На неоднорідній ділянці АВ наявні два джерела з ЕРС, і які ввімкнено назустріч одна одній.

Порядок виконання роботи

1. Скласти електричне коло за схемою рис. 2; ; ; — задано, внутрішніми опорами їх нехтуємо. Опір реостатів вимірюємо за допомогою містка, R₃ — магазин опору типу МСР.

2. Замкнути вимикач 51, потім S2. Резисторами з опорами і добитися сили струму 0,3 А.

3. Виміряти значення . Результати вимірювань занести до таблиці.

4. Обчислити величини, що входять до лівої і правої частини рів­няння (2): . При цьому слід врахувати знаки

.

5. Обчислити похибки вимірювання за класом точності вимірювальних приладів та перевірив рівність (2);

6. Зміною опорів R₁, R₂, R₃ підібрати в колі сили струму 0,35; 0,3; 0.45 A та провести обчислення згідно пп..3,4,5.

Лабораторна робота № 17

Перевірка правил Кірхгофа.

Прилади і матеріали: моделююча програма “Початки електроніки”.

Теоретичні відомості та опис приладів.

Розглянемо розгалужене електричне коло, в окремі ділянки якого включені джерела струму з відомими ЕРС. Розрахунок такого кола можна провести, користуючись законом Ома для неоднорідної ділянки кола і законом збереження заряду. Однак завдання значно спрощується, якщо скористатися двома правилами Кірхгофа, які є узагальненнями закону Ома для неоднорідної ділянки кола.

Перше правило Кірхгофа формулюється так: алгебраїчна сума струмів, які сходяться у вузловій точці, дорівнює нулю:

. (1)

Рис.1

Струми, які входять до вузлової точки, вважаємо додатними, а струми, які виходять з неї,— від'ємними. Наприклад, для вузлової точки С (рис.1 ) на основі (1) можна записати:

(2)

Перше правило Кірхгофа виражає закон збереження електричного заряду. Рівняння (1) можна записати для кожного із п вузлів складного кола, але незалежними будуть п — 1 рівняння.

Друге правило Кірхгофа можна сформулювати так: у будь-якому замкненому контурі розгалуженого електричного кола алгебраїчна сума спадів напруг (тобто добутків сил струмів в окремих ділянках контура на їх опір) дорівнює алгебраїчній сумі електрорушійних сил, що діють у даному контурі. Фізичний зміст цього результату полягає в тому, що робота з переміщення заряду вздовж будь-якого замкненого контура дорівнює тільки роботі сторонніх сил, а робота сил електростатичного поля вздовж замкненого контура дорівнює нулю.

При складанні рівнянь за другим правилом Кірхгофа вибирають незалежні замкнені контури, які можна виділити в даному розгалуженому колі. Оскільки ліва і права частини рівняння (2) являють собою алгебраїчні суми, то умовилися вважати знак добутку I_iR додатним, коли струм I_i збігається з наперед вибраним напрямом обходу контура, і від'ємним, коли напрям струму протилежний напряму обходу. Знак ЕРС додатний, коли напрям власного струму збігається з напрямом обходу контура.

Розглянемо, наприклад, складний контур на рис. 1. Застосовуючи правила Кірхгофа, можна дотримуватися такої схеми.

1. Визначити довільно напрями струмів, які входять і виходять з вузлових точок та проходять в окремих ділянках замкненого контура.

2. Вибрати довільно напрям обходу контура 1, користуючись рекомендованим вище правилом встановлення знаків доданків алгебраїчних сум, скласти шукані рівняння.

3. Складеними рівняннями охопити всі ЕРС і всі опори даного замкненого контура.

Застосуємо перше правило Кірхгофа до вузла D:

Вибираємо напрям обходу за годинниковою стрілкою, тоді

для контура

для контура

Ці два рівняння взаємно незалежні. Для контура СDМКС рівняння вже не є незалежним, воно — результат накладання двох попередніх контурів один на одного. Маємо три рівняння з трьома невідомими, і, розв'язавши систему, визначимо невідомі струми.

Мета роботи — на досліді перевірити правила Кірхгофа. Схему електричного кола зображено на рис. 2. Реостат з опором Rо призначено для встановлення робочої сили струму в складному електричномі колі.

Порядок виконання роботи

1. Скласти електричне коло, наведене на рис. 2. ЕРС джерел e₁ = 6 В, e₂=1,5 В відомі.

Рис2.

2. При допомозі віртуального мультиметра виміряйте сили струмів.

3. Скласти рівняння Кірхгофа для незалежних контурів схеми на рис. 2 і обчислити сили струмів I₁, I₂, I₀.

4. Порівняти експериментально виміряні сили струмів з одержаними на основі правил Кірхгофа. Показати, що в межах допустимих похибок результати збігаються.

5. Перевірити за показами амперметрів перше правило Кірхгофа (формула (1)) і показати, що ця формула застосовна у межах точності вимірювань.

6. Змінити напрям ЕРС джерел G1 і G2 та сили струму і виконати обчислення, зазначені в пп. 2—5.

? Контрольні запитання і завдання

1. При яких умовах, розраховуючи електричні кола в даній роботі за правилами Кірхгофа, можна знехтувати внутрішніми опорами амперметрів?

2. Як формулюються перше і друге правило Кірхгофа? Який їх фізичний зміст?

3. Що означають від'ємні значення струму?

4. Які ви знаєте способи вимірювання ЕРС джерел струму?

Лабораторна робота № 18

Дослідження електричного струму в напівпровідниках

Вивчення залежності опору напівпровідників від температури.

Прилади і матеріали: 1) досліджуваний зразок напівпровідника; 2) електричний нагрівач; 3) цифровий універсальний прилад для вимірювання опору (наприклад, В7-20); 4) цифровий універсальний прилад для вимірювання температури, наприклад, типу В7-27; 5) термопара.

Теоретичні відомості та опис приладів

Напівпровідники - це широкий клас речовин, які за своєю електропровідністю займають проміжне положення між металами і діелектриками. Основні властивості напівпровідників такі : а) їх електропровідність і концентрація носіїв струму суттєво залежить від зовнішніх впливів (температури , опромінення тощо); б) з підвищенням температури електропровідність напівпровідників зростає з перенесенням речовини ( їх провідність має електронний і дірковий характер).

Властивості кристалічних напівпровідників задовільно пояснюється зоною теорією твердого тіла. Енергетичний спектр електронів напівпровідниках обумовлений їх взаємодією не тільки з своїм атомом, а й з сусідніми. Це приводить до утворення так званих енергетичних зон (дозволених та заборонених ).

Зонна структура напівпровідника є енергетичною діаграмою і визначає розподіл електронів по енергіях. Ширина дозволених зон становить кілька електрон – вольт. Кожна з дозволених зон складається з великого , але скінченного числа енергетичних рівнів. Вони визначаються кількістю атомів у кристалі , дискретні енергетичні рівні яких при розчепленні утворюють дану зону. Зона , яка містить N рівнів , може згідно з принципом Паулі містити 2 N електронів. Зона , що складається з повністю заповнених електронних рівнів , називається валентною , тобто валентна зона – це сукупність значень енергії електронів , які здійснюють ковалентні зв’язки. Зона , для якої не всі рівні заняті електронами , називаються вільною , або зоною провідності (рис. 1, а) , тобто зона провідності - це сукупність дозволених значень енергії електронів.

Валентна зона відокремлена від зони провідності певним інтервалом енергії , який називається забороненою зоною , тобто заборонена зона – це сукупність значень енергії , яких не можуть мати електрони провідності.

У напівпровідників при Т =0 К валентна зона повністю заповнена електронами , а зона провідності повністю вільна (рис. 1, б).

З підвищенням температури інтенсивність теплового руху зростає і електрон може дістати додаткову кінетичну енергію (порядку kT) для переходу в зону провідності. У валентній зоні звільняються квантові стани , не зайняті електронами. Такі вакантні стани називаються дірками. Провідність , зумовлену рухом дірок у валентній зоні , називають дірковою р – типу на відміну від звичайної електронної провідності n –типу. Слід підкреслити, що дійсними носіями струму є електрони , а неформально введені дірки. Напівпровідники з електронною і дірковою провідністю називається власними. Підкреслимо , що у власних напівпровідників електропровідність виникає при значних температурах за рахунок появи однакової кількості вільних електронів і дірок , які виникають в результаті звільнення частиною електронів парних ковалентних зв’язків атомів напівпровідникового кристалу.

Введенням в чистий напівпровідник певних домішок дістають домішкову провідність n – або р – типу. Домішкова провідність n-типу виникає внаслідок заміщення частин атомів чистого напівпровідника домішковими атомами з вищою валентністю: при цьому зайвий валентний електрон домішкового атома не бере участі в ковалентних зв’язках і стає вільним електроном провідності.

Домішкова провідність р – типу виникає при зміщенні частин атомів напівпровідників атомами домішок з нижчою валентністю. При цьому електрон, якого вистачає для створення ковалентного зв’язку , захоплюється із сусіднього зв’язку між атомами чистого напівпровідника, на місці якого виникає дірка.

Температурну залежність питомої електропровідності напівпровідників можна подати у вигляді

, (а)

де - ширина забороненої зони, або енергія активації; А- деяка стала, що залежить від природи напівпровідника. Напівпровідники мають від’ємний температурний коефіцієнт опору.

Одна з ознак напівпровідників, якою вони відрізняються від металів, - залежність їх питомої провідності від температури. При низьких температурах питома провідність зменшується, при абсолютному нулі напівпровідник перетворюється на ізолятор. При високих температурах електропровідність напівпровідників наближається до електропровідності металів. Наприклад, при кімнатній температурі питомий опір кремнію має величину , а при 973 К - . Такий характер залежності пояснюється тим, що, на відміну від металів, концентрація носіїв струму в провідниках змінюється із зміною температури, а саме – зростає з підвищенням її. Валентні електрони напівпровідників набагато міцніше зв’язані з ядрами атомів, ніж в металах. Питома провідність чистих напівпровідників виражається формулою (а). Позначимо сталу ,тоді .

Відповідно опір чистих напівпровідників визначається як .

Отже, логарифм опору провідників напівпровідників є лінійною функцією від величини 1/T. у даній роботі пропонується дослідити температурну залежність опору напівпровідників. Напівпровідник у скляній пробірці вміщено у будь – який електричний нагрівач. Температура зразка вимірюється за допомогою датчика температури та цифрового вольтметра В7-27 або містка постійного струму ПП-63, опір – за допомогою В7-20.

Рис. 1

Порядок виконання роботи

1. Скласти коло за схемою рис. 1. термопару прикріпити до досліджуваного зразка. Виміряти опір зразка при кімнатній температурі.

2. Ввімкнути електронагрівач. Вимірювати опір через кожні 5 К. Нагрівання здійснювати до температури 363 К.

3. Побудувати графіки залежностей R = f(T) та ln R= f(1/T).

4. визначити з графіка кутовий коефіцієнт прямої

і обчислити ширину забороненої зони

.

? Контрольні запитання

1.Який механізм власної провідності напівпровідників?

2.Який механізм домішкової провідності напівпровідників?

3.У чому суть зонної теорії провідності металів і напівпровідників?

4.Чим пояснюється зміна концентрації електронів провідності в напівпровідниках із зміною температури?

5.Що таке термістори і де вони застосовуються?

Лабораторна робота № 19

Знімання вольт-амперної характеристики напівпровідникового діода

Обладнання: 1) діод напівпровідниковий на колодці; 2) джерело електро­живлення для практикуму ИЭПП-1 і батарея акумуляторів З-НКН-10 – 2шт.; 3) міліамперметр постійного струму М45М; 4) вольтметр постійного струму М45М; 5) реостат повзунковий РПШ – 2; 6) ключ замикання струму; 7) комплект проводів з'єднувальних.

Зміст і метод виконання роботи

Р оботу виконують з напівпровідниковим діодом Д7Ж. Основна деталь його – монокристалічна пластинка германію 5 (мал.1), до одної з поверхонь якої приварено краплю індію 4. Внаслідок цього в пластинці, яка мала до цього лише електронну провідність, утворились дві розмежовані області з електронною (п) і дірковою (р) провідностями. На межі цих областей утворився електронно-дірковий перехід (п – р), який має однобічну провід­ність для електричного струму.

Пластинка германію припаяна оловом 6 до основи металевого корпусу 7, який захищає кристал від зовнішнього впливу. Один контактний вихід 8 з'єднаний з пластинкою германію, а другий контактний вихід 1 – з краплею індію. Він проходить у металевій трубці 2, вплавленій у скляний ізолятор 3. Виводи діода підведені на панелі до двох затискачів, позначених знаками «+» і «-» .

Якщо зовнішнього електричного поля немає, то через електронно-дірковий перехід діода взаємно дифундують основні носії заряду: електрони з n-германію дифундують у р - германій, а дірки з р - германію переходять у n-германій. Внаслідок цього з обох боків межі поділу двох напівпровідників утворюються об'ємні заряди різних знаків, а водночас і електричне поле. Це поле перешкоджає дифузії основних носіїв заряду і підтримує зворотний рух неосновних носіїв заряду, тобто дірки з п - області переміщує в р - область, а електрони з р – області переміщує назад, в n-область. Якщо електрони і дірки рухаються на­зустріч, то частина з них рекомбінується, внаслідок чого в переході п – р утворюється шар завтовшки 10-4 – 10-5см, бід­ний на рухомі носії заряду. Цей шар називають запірним шаром. Незважаючи на малу товщину, запірний шар є головною частиною опору діода.

Якщо зовнішнього електричного поля немає, то струми, утворені рухом основних і неосновних носіїв заряду, однакові за абсолютною величиною, але протилежні за напрямом, тому сила струму через перехід дорівнює нулю.

Якщо на діод діє зовнішнє електричне поле, напрямлене від діркового напівпровідника до електронного, електричне поле переходу п – р слабне, основні носії зарядів рухаються до межі поділу двох напівпровідників, товщина і опір запірного шару зменшуються, внаслідок чого дифузійний струм основних носіїв заряду зро­стає і загальна сила струму через перехід вже не дорівнює нулю. Струм, утворений рухом основних носіїв заряду і напрямлений від діркового напівпровідника до електронного, називають прямим струмом діода.

Із зміною полярності прикладеної напруги електричне поле переходу п – р зростає і дифузійний рух основних носіїв заряду через перехід припиняється: електричне поле видаляє основні носії зарядів з пограничних шарів у глибину електронної і діркової областей. Тому товщина запірного шару збільшується, а опір його зростає. Проте невеликий струм і в цьому разі проходить через діод, він створюється рухом неосновних носіїв заряду. Цей струм напрямлений від електронного напівпровідника до діркового; його називають зворотним струмом діода. Залежно від напряму струму в діоді прикладена до нього напруга, а також опір діода називають прямими або зворотними.

Виконуючи цю роботу, треба дослідити залежності сил прямого і зворотного струмів діода від прикладених до нього напруг і побудувати графіки цих залежностей.

Послідовність виконання роботи

1. Підготуйте в зошиті такі дві таблиці для записування результатів вимірювань і обчислень:

2. Дослідіть залежність сили прямого струму від прикладеної до діода напруги. Для цього складіть електричне коло за схемою, яку зображено на мал. 2. Діод увімкніть у пропускному напрямі, звернувши увагу на знаки «+» і «-», позначені на його панелі.

Джерелом струму в цих вимірюваннях є один акумулятор з батареї З-НКН-10. Напругу на діод подають з потенціометра і вимірюють вольтметром з шкалою З В, силу прямого струму діода – міліамперметром, увімкнутим спочатку з шкалою 7,5мА, а потім з шкалами 15 і 30мА.

Збільшуючи напругу на діоді щоразу приблизно на 0,02В, запишіть покази обох приладів у табл. 1.

Застереження. Сила прямого струму діода не повинна перевищувати 300мА, інакше діод вийде з ладу.

3. Дослідіть залежність сили зворотного струму від прикладеної до діода напруги. Для цього складіть електричне коло за новою схемою, яку зображено на мал,3, звернувши увагу на відмінність вмикання діода і вольтметра.

Джерелом струму тут є джерело електроживлення для практикуму або дві батареї акумуляторів З-НКН-10, увімкнені послідовно. Напругу на діод подають за допомогою потенціометра; вимірюють її вольтметром з шкалою 15В, а силу струму – міліамперметром з шкалою 1,5 мА.

Збільшуючи напругу на 1 В, щоразу виміряйте силу зворотного струму діода. Результати вимірювань запишіть у табл. 2.

4. За даними двох таблиць побудуйте графік залежності сили струму від прикладеної напруги. Вважати, що сила прямого струму і пряма напруга додатні, а зворотні - від'ємні. По осі абсцис відкладіть напругу у вольтах, а по осі ординат – силу струму в міліамперах. Масштаб: для прямої напруги 1см – 0,1 В, для зворотної 1см – І В; для сили прямого струму 1см – 2мА, для зворотного 1см – 0,2мА.

? Контрольні запитання

1. Чому в процесі вимірювання сили прямого струму в діоді всі з'єднання в електричному колі повинні мати добрі контакти?

2. Чому небезпечно подавати на діод пряму напругу понад 0,5 В?

3. Чому тривале проходження прямого струму змінює опір діода?

Для чого змінюють схему вмикання приладів, коли вимірюють сили прямого і зворотного струмів у діоді?

На якій ділянці вольт-амперної характеристики опір діода майже сталий?

Лабораторна робота № 20

Визначення горизонтальної складової напруженості та індукції магнітного поля Землі за допомогою тангенс-гальванометра.

Прилади і матеріали: 1) аккумулятор;2) тангенс-гальванометр; 3) набір провідників; 4) міліамперметр; 5) реостат; 6) двополюсний перемикач; 7) лінійка.

Теоретичні відомості

Земля є величезним магнітом. Існування магнітного поля Землі безпосередньо підтверджується відхиленням магнітної стрілки при її вільному підвісі. При цьому остання встановлюється у напрямку дотичної до лінії індукції магнітного поля Землі. Значення індукції В магнітного поля Землі невеликі і змінюються від 0,42·10^-4 Тл на екваторі до 0,70·10^-4 Тл поблизу магнітних полюсів. Можливим джерелом поля Землі є розподіл струмів в земній корі.

Основними параметрами магнітного поля Землі є : магнітне нахилення (кут між напрямком вектора і площиною горизонту), магнітне схилення φ (кут між горизонтальною складовою вектора В і площиною географічного меридіана) і горизонтальна складова індукції магнітного поля Землі В_г (рис. 1).

Рис. 1

На магнітному екваторі =0 і В=В_г, (магнітна стрілка встановиться горизонтально), на магнітних полюсах В_г, =0 (магнітна стрілка встановиться вертикально).

Горизонтальну складову В_г звичайно визначають за допомогою тангенс-гальванометра, який складається з плоскої котушки, розміщеної у вертикальній площині.

Якщо котушку розмістити так, щоб її вісь ОО₁ була перпендикулярною до площини магнітного мередіану (рис. 2), то магнітне поле струмуВ₀, намагатиметься повернути магнітну стрілку, розміщену в центрі котушки, в напряму осі ОО₁ , а магнітне поле Землі - вздовж площини магнітного меридіана. Завдяки дії обох полів магнітна стрілка встановлюється так, що утворює деякий кут α з площиною магнітного меридіану. Величина цього кута визначається співвідношенням:

(1)

Рис2

Магнітне поле витка на його осі ОО₁ (маємо на увазі вектор В₀) спрямоване вздовж цієї осі, оскільки с результатом накладання полів dВ від кожної елементарної ділянки dl. Напрям цього поля визначається правилом правого свердлика: якщо повертати його в напрямку струму, то поступальний рух свердлика збігається з напрямом лінії поля (рис. 3).

Рис.3

Величина індукції магнітного поля В₀ короткої котушки на її осі визначається за формулою:

, (2)

де I — сила струму в котушці, а,b — сторони прямокутної котушки, п - число витків. Формулу (2) можна отримати, виходячи з закону Біо-Савара-Лапласа та скориставшись принципом суперпозиції для поля [2]. Індукція магнітного поля В₀ пов'язана з напруженістю цього поля Н₀ співвідношенням:

, (3)

де - магнітна стала (в системі СІ =4π 10^-7 Гн/м), - магнітна проникливість середовища (для повітря ). Лінії магнітної індукції, за допомогою яких графічно зображують магнітне поле (силові лінії), є завжди замкнутими і проводяться так, що дотичні до них в кожній точці збігаються за напрямком з вектором В (рис. 1).

Рис. 4

Порядок виконання роботи

1. Складаємо електричне коло за схемою, зображеною на рис.4.

2. Повертаючи котушку, розміщують її так, щоб вісь, яка проходить через центри обмоток, була перпендикулярною до площини магнітного меридіана: в цьому положенні кінці стрілки-покажчика повинні знаходитись проти нульової поділки шкали (стрілка-покажчик перпендикулярна до магнітної стрілки) .

3. Замкнувши коло за допомогою перемикача П, пересувають повзунок реостата R₀ до тих пір, поки стрілка-покажчик буде показувати 30°. Відмічають цей кут з точністю до 1°, а відповідне йому значення струму I по шкалі міліамперметра з точністю до 5 мА.

4. Перемикачем П змінюють напрям струму в котушці і знову виставляють кут α=30° та вимірюють нове значення струму І. З одержаних результатів обчислюють середнє.

5. За допомогою штангенциркуля вимірюють в декількох місцях а,b — сторони прямокутної котушки радіус і з одержаних результатів обчислюють середні значення.

6. Підставивши значення величини струму I в амперах, та а,b в метрах, а також n і tgα y формули (1), (2) і (3) обчислюють величину В₀,В_г і Н_г в одиницях системи СІ

7. Знаходимо ще по два значення для Н_г і В_г при кутах відхилення магнітної стрілки 45° і 60°.

8. За відомими правилами для серії вимірів визначають абсолютну і відносну похибку. Результати вимірювань і обчислень зводять в таблицю.

? Контрольні запитання

1. Магнітне поле Землі: які основні параметри земного магнетизму?

2. Характеристики магнітного поля: дати поняття напруженості та індукції поля, силової лінії.

3. Сформулювати принцип суперпозиції для поля.

4. Замалювати .магнітне поле колового витка зі струмом.

5. Дати означення однорідного і неоднорідного магнітного поля. Яким є поле котушки?

Лабораторна робота № 21

Фотоелектричний ефект.

Теоретичні відомості.

Фотоелектричний ефект був відкритий в 1887 році німецьким фізиком Г.Герцем і в 1888–1890 роках експериментально досліджений А. Р. Столетовим. Найповніше дослідження явища фотоефекту було виконане Ф. Ленардом в 1900р. До цього часу вже був відкритий електрон (1897 р. і стало ясно, що фотоефект (або точніше – зовнішній фотоефект) полягає у вириванні електронів з речовини під дією падаючого на нього світла.

Рис. 1

Прилади, дія яких ґрунтується на використанні фотоефекту, називається фотоелементами.

Фотоелементи можуть бути вакуумні або газонаповнені. Вакуумний фотоелемент складається із скляного балона, всередині якого розміщені фотокатод і анод. Фотокатод являє собою тонкі шари сурми і цезію, нанесені на внутрішню поверхню скляного балона. Матеріал фотокатода вибирається залежно від області застосування фотоелемента. Так, сурмяно-цезієві фотокатоди чутливі до ультрафіолетової та короткохвильової частин видимого світла, а киснево-цезієві – до інфрачервоної частини спектра. Металевий анод фотоелемента має форму сфери і розташований у центральній частині скляного балона. До електродів прикладалася деяка напруга U, полярність якої можна було змінювати за допомогою подвійного ключа. Один з електродів (катод K) через кварцове віконце освітлював монохроматичним світлом деякої довжини хвилі . При незмінному світловому потоці знімалася залежність сили фотоструму I від прикладеної напруги. На мал.2 зображені типові криві такої залежності, отримані при двох значеннях інтенсивності світлового потоку, падаючого на катод.

Рис. 2

Криві показують, що при чималій позитивній напрузі на аноді A фотострум досягає насичення, оскільки всі електрони, вирвані світлом з катода, досягають анода. Ретельні вимірювання показали, що струм насичення Iн прямо пропорційний інтенсивності падаючого світла. Коли напруга на аноді негативно, електричне поле між катодом і анодом гальмує електрони. Анода можуть досягти тільки ті електрони, кінетична енергія яких перевищує |eU|. Якщо напруга на аноді менша, ніж –Uз, фотострум припиняється. Вимірюючи Uз, можна визначити максимальну кінетичну енергію фотоелектронів:

До здивування учених, величина Uз виявилася незалежною від інтенсивності падаючого світлового потоку. Ретельні вимірювання показали, що замикаючий потенціал лінійно зростає із збільшенням частоти н світла (мал. 3).

Рис. 3 Залежність замикаючого потенціалу Uз від частоти н падаючого світла

Численними експериментаторами були встановлені наступні основні закономірності фотоефекту:

1. Максимальна кінетична енергія фотоелектронів лінійно зростає із збільшенням частоти світла ν і не залежить від його інтенсивності.

2. Для кожної речовини існує так звана червона межа фотоефекту, тобто. найменша частота ν , при якій ще можливий зовнішній фотоефект.

3. Число фотоелектронів, що вириваються світлом з катода за 1 с, прямо пропорційно інтенсивності світла.

4. Фотоефект практично безінерційний, фотострум виникає миттєво після початку освітлення катода за умови, що частота світла ν >  ν_min..

Всі ці закономірності фотоефекту в перечили уявленням класичної фізики про взаємодію світла з речовиною. Згідно хвильовим уявленням при взаємодії з електромагнітною світловою хвилею електрон повинен був би поступово накопичувати енергію, і було б потрібно значний час, залежний від інтенсивності світла, щоб електрон накопичив достатньо енергії для того, щоб вилетіти з катода. Як показують розрахунки, цей час повинен був би обчислюватися хвилинами або годинами. Проте, досвід показує, що фотоелектрони з'являються негайно після початку освітлення катода. У цій моделі також було неможливо зрозуміти існування червоної межі фотоефекту. Хвильова теорія світла не могла пояснити незалежність енергії фотоелектронів від інтенсивності світлового потоку і пропорційність максимальної кінетичної енергії частоті світла.

Таким чином, електромагнітна теорія світла виявилася нездібною пояснити ці закономірності.

Вихід був знайдений А.Ейнштейном. в 1905  р. Теоретичне пояснення спостережуваних закономірностей фотоефекту було дане Ейнштейном на основі гіпотези М. Планка. про те, що світло випромінюється і поглинається певними порціями, причому енергія кожній такій порції визначається формулою E = hν, де h – стала Планка.. Ейнштейн зробив наступний крок в розвитку квантових уявлень. Він прийшов до висновку, що світло має переривисту (дискретну) структуру. Електромагнітна хвиля складається з окремих порцій – квантів, згодом названих фотонами. При взаємодії з речовиною фотон цілком передає всю свою енергію hν одному електрону. Частину цієї енергії електрон може розсіяти при зіткненнях з атомами речовини. Крім того, частина енергії електрона витрачається на подолання потенційного бар'єру на межі металл–вакуум. Для цього електрон повинен зробити роботу виходу A, залежну від властивостей матеріалу катода. Найбільша кінетична енергія, яку може мати фотоелектрон, що вилетів з катода, визначається законом збереження енергії:

Цю формулу прийнято називати рівнянням Ейнштейна для фотоефекту.

За допомогою рівняння Ейнштейна можна пояснити всі закономірності зовнішнього фотоефекту. З рівняння Ейнштейна виходять лінійна залежність максимальної кінетичної енергії від частоти і незалежність від інтенсивності світла, існування «червоної межі», безінерційність фотоефекту. Загальне число фотоелектронів, що покидають за 1 с поверхню катода, повинне бути пропорційне числу фотонів, падаючих за той же час на поверхню. З цього виходить, що струм насичення повинен бути прямо пропорційний інтенсивності світлового потоку.

Як випливає з рівняння Ейнштейна, тангенс кута нахилу прямої, що виражає залежність замикаючого потенціалу Uз від частоти ν , рівний відношенню постійною Планка h до заряду електрона e:

Це дозволяє експериментально визначити значення сталої Планка. Такі вимірювання були виконані в 1914  р. Р.  Міллікеном і співпадали із значенням, знайденим Планком. Ці вимірювання дозволили також визначити роботу виходу A:

де с – швидкість світла, λ_кр – довжина хвилі, відповідна червоній межі фотоефекту. У більшості металів робота виходу A складає декілька електрон-вольт (1 эВ = 1,602·10^–19 Дж). У квантовій фізиці електрон-вольт часто використовується як енергетична одиниця вимірювання. Значення, виражене в електрон-вольтах в секунду, рівне

h = 4,136·10–15  еВ·с.

Серед металів найменшою роботою виходу володіють лужні елементи. Наприклад, у натрію A = 1,9  еВ, що відповідає червоній межі фотоефекту λ_кр = 680  нм. Тому з'єднання лужних металів використовують для створення катодів у фотоелементах, призначених для реєстрації видимого світла.

Отже, закони фотоефекту свідчать, що світло при випусканні і поглинанні поводиться подібно до потоку частинок, що отримали назву фотонів або світлових квантів.

Фотон рухається у вакуумі з швидкістю с. Фотон не має маси, m = 0.

E2 = m2c4 + p2c2

витікає, що фотон володіє імпульсом

Але це не було механічне повернення до корпускулярної теорії Ньютона. На початку XX  століття стало ясно, що світло володіє подвійною природою. При розповсюдженні світла виявляються його хвильові властивості, а при взаємодії з речовиною – корпускулярні (фотоефект). Ця подвійна природа світла отримала назву корпускулярний-хвильового дуалізму. Пізніше подвійна природа була відкрита у електронів і інших елементарних частинок. Класична фізика не може дати наочної моделі поєднання хвильових і корпускулярних властивостей у мікрооб'єктів. Рухом мікрооб'єктів управляють не закони класичної механіки Ньютона, а закони квантової механіки. Теорія випромінювання, розвинена М.  Планком, і квантова теорія фотоелектричного ефекту Ейнштейна лежать в підставі цієї сучасної науки.

Вакуумні фотоелементи широко застосовуються у звуковій апаратурі (ЦВ – 3, СЦВ - 3); фотометрах (Ф-2, Ф-3), спектрометрах (Ф-3), у схемах автоматичного контролю тощо. Використання газонаповнених фотоелементів обмежене їх інерційністю, невисокою часовою стабільністю, відсутністю насичення анодних характеристик і т.п.

Якщо поверхню металу у вакуумі бомбардувати швидкими електронами, то ці електрони викликають емісію нових електронів з цієї ж поверхні, тобто спостерігається явище вторинної електронної емісії. Число вторинних електронів може бути в кілька разів більшим за число первинних електронів. Це явище лежить в основі фотоелектричних помножувачів, які застосовуються у різних галузях науки і техніки: в ядерній фізиці як сцинтиляційні лічильники, у спектронометрії.

Учбовий курс інтерактивні комп'ютерні моделі, які демонструють основні фізичні закони і цікаві фізичні явища. Працюючи з моделями, ви можете провести своє невелике дослідження. Можна міняти значення параметрів або конфігурацію моделі і спостерігати за результатом.

Комп’ютерна модель демонструє явище фотоефекту, яке насправді змоделювати досить важко через відсутність приладів і при досліді використовується напруга яка небезпечна для життя.

Закони фотоефекту пояснив А. Ейнштейн на основі квантової теорії світла. Користуючись законом збереження енергії, Ейнштейн вивір рівняння:

(1)

де hv – енргія падаючого кванта світла; A – робота виходу електрона з металу; ν – швидкість фотоелектронів; m – маса електрона.

На рисунку наведено типову залежність сили фотоструму Ι – від напруги U.

І снування фотоструму при значенні U<0 освідчить про відміну від нуля початкової швидкості. ύ_max пов’язана з величиною затримучого потенціала U₃ співвідношенням:

(2)

де e і m – заряд і маса електрона. Максимальне значення струму Ι_н називається фотострумом насичення; він зумовлений тим, що всі фотоелектрони досягають анода.

Зовнішній фотоефект практично безінерційний. Він має широке застосування і науці і техніці для безпосереднього перетворення енергії світла на енергію електричного струму, для вимірювання і реєстрації світлових потоків.

Із формули (1) видно, що енергія фотоелектронів залежить від частоти падаючого світла. Це дає змогу визначити сталу Планка. На основі формул (1) і (2) для двох частот дістанемо hν₁ = A +eU ₁, hν₂ = A + eU₂, звідки

(3)

де U_{1 і} U₂ – затримуючі різниці потенціалів. З другого боку,експерементально можна дістати залежність затримуючої різниці потенціалів від частоти падабчого світла.

Запишемо рівняння Ейнтштейна у вигляді рівняння прямої на площині в координатах U₃ =f(ν):

(4)

Рис. 4

Із рис. 4 і рівняння (3) видно, що

(5)

а провадження прямої до перетину звіссю U₃ дає змогу визначити коефіцієнт A/e.

Порядок виконання роботи

Визначити сталу Планка і роботу вихду з фотокатода.

1. Виміряти затримуючу різницю потенціалів при освітленні фотоелемента чернвоним і фіолетовим світлом.

2. За формулою (3) визначити сталу Планка.

3. Побудувати залежність U₃ =f(ν), змінюючи частоту падаючого світла.

4. Визначити користуючись формулою (3), рис. 4 сталу Планка h і роботу виходу А.

5. Порівняти значення сталої Планка з табличним значенням.

? Контрольні запитання і завдання

1. Пояснити на основі формули Ейнштейназакони фотоефекту.

2. Які труднощі поясення першого і другого законів фотоефекту і хвильовій теорії світла?

3. Які є ще експирементальні підтвердження квантової природи світла?

4. Пояснити роботу вакумного ігазонаповненого фотоелементів.

5. Які на основні характеристики фотоелементів?

6. Проаналізуватиможливі причини розходження експирементально одержаних знпчень сталої Планка з табличними.

7. Пояснити принцип роботи схеми для вивченнязовнішнього ефекту.

Лабораторна робота № 22

Вивчення треків зарядженихчастинок

Обладнання: Модель 1.8. Мас-спектрометр.

Короткі теоретичні відомості

Мас-спектрометрами називають пристрої, за допомогою яких можна вимірювати маси заряджених частинок, наприклад, ядер різних атомів. Мас-спектрометри використовуються для розділення ізотопів, тобто ядер атомів з однаковим зарядом, але з разнимі масовими числами, наприклад, і .

У мас-спектрометрах заряджені частинки рухаються в камері, в якій створений високий вакуум, в однорідному магнітному полі. Частинки влітають в камеру, заздалегідь пролетівши через селектор швидкостей . Траєкторії частинок є дуги кіл радіусів

Комп'ютерна модель дозволяє змінювати індукцію магнітного поля B і швидкість частинок υ. Лінії індукції магнітного поля перпендикулярні до площини зображення. Початкові швидкості обох частинок однакові і перпендикулярні до краю зображення. Дослід по розділенню ізотопів може бути виконаний для ізотопів вуглецю, неону і урану, а також для ізотопів невідомої речовини.

Мал.1

Ідентифікують невідому частинку, порівнюючи її питомий заряд з питомим зарядом протона. Заряд визначають у елементарних зарядах е, масу – в атомних одиницях маси. Це можна зробити, вимірявши і порівнявши радіуси треків частинок на початкових ділянках треків. Справді, для зарядженої частинки, яка рухається перпендикулярно до вектора індукції магнітного поля, можна записати:

.

Т оді

.

Звідси

(1)

Порядок виконання роботи

1. Виміряйте радіуси кривизни треків частинок на їх початкових ділянках(мал.1)

2. Визначіть питомі заряди , , , , , ,та ізотопів невідомої речовини (робоча фомула 1). Ідентифікуйте ізотопи невідомої речовини за наслідками дослідження. Результати вимірювань та обчислень запишіть до таблиці

№ п/п	Назва частинки	Радіус кривизни трека, м	Обчислено
			Питомий заряд,
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.

3. За результатими досліджень зробіть висновок.

? Контрольні запитання

1. Яка будова і принцип дії камери Вільсона?

2. Що таке сила Лоренца і як визначити її напрям і модуль?

3. За якої умови тіло рухається по колу? Як визначити доцентрове прискорення?

4. Який напрям вектора магнітної індукції відносно площини фотографії треків частинок?

5. Якоюбуде траєкторія руху зарядженої частинки, швидкістьякої перпендикулярна до напряму індукції магнітного поля?

6. Чому радіуси кривизни на різнихділянках треку тієї самої частинки різні?

7. Від чого залежить товщига треку?

8. Як визначити зміну кінетичної енергії частинки?

Зміст

Лабораторна робота № 1

Визначення густини речовини тіл правильної геометричної форми 3

Лабораторна робота № 2

Вивчення руху тіл по похилій площині під дією власної ваги. 9

Лабораторна робота № 3

Вивчення руху тіла кинутого горизонтально. 11

Лабораторна робота №4

Вивчення законів кінематики і динаміки поступального руху на машині Атвуда 16

Лабораторна робота № 5.

Вивчення обертального руху твердого тіла на прикладі маятника Обербека 18

Лабораторна робота № 6

Визначення моменту інерції махового колеса динамічним методом 24

Лабораторна робота № 7

Визначення прискорення сили тяжіння за допомогою математичного маятника 27

Лабораторна робота № 9

Застосування фізичного маятника для визначення прискорення вільного падіння 32

Лабораторна робота № 10

Вивчення додавання взаємно перпендикулярних коливань однакової частоти 41

Лабораторна робота №11

Визначення швидкості поширення звуку фазовим методом 47

Лабораторна робота № 12

Визначення коефіцієнта динамічної в’язкості рідини методом Стокса………….53

Лабораторна робота № 13

Рух зарядженої частинки у електричному полі 57

Лабораторна робота № 14

Визначення ємності конденсаторів 61

Лабораторна робота №15

Вивчення залежності опору металів від температури і визначення температурного коефіцієнта опору 63

Лабораторна робота № 16

Перевірка закону Ома для повного кола 66

Лабораторна робота № 17

Перевірка правил Кірхгофа 69

Лабораторна робота № 18

Дослідження електричного струму в напівпровідниках 72

Лабораторна робота № 19

Знімання вольт-амперної характеристики напівпровідникового діода 75

Лабораторна робота № 20

Визначення горизонтальної складової напруженості та індукції магнітного поля Землі за допомогою тангенс гальванометра 77

Лабораторна робота № 21

Фотоелектричний ефект 80

Лабораторна робота № 22

Вивчення треків зарядженихчастинок 87

94