Elektrisches Feld

Labor Physik
Elektrisches Feld
Geschichte und Funktion der Diode
Die ersten Dioden wurden im Jahre 1904 von John Flemming entwickelt. Es handelte sich um
Vakuumrören mit zwei wichtigen Elementen, einer Kathode, die Elektronen emittiert, und einer
Anode, die die emittierten Elektronen auffängt. Die wichtigsten Eigenschaft einer Diode besteht darin,
daß sie den elektrischen Strom nur in eine Richtung leitet. Heutzutage werden nahezu ausschließlich
Halbleiterdioden eingesetzt.
Die Abbildung unten zeigt eine Röhrendiode (Vakuumdiode). Die Kathode wird durch einen
separaten Heizkreis (Kathodenheizung) beheizt und emittiert Elektronen, sobald sie genügend
aufgeheizt ist. Elektronen aus dem Elektronengas des Kathodenmetalls erhalten genügend
thermische Energie, um die Austrittsarbeit aufzubringen, und können so die Kathode verlassen.
Ihr Liegt der Prozeß der Glühemission zugrunde; er wurde 1883 von Thomas Edison entdeckt. Liegt
die Anode auf höherem Potential als die Kathode, so zieht sie die von der Kathode emittierten
Elektronen an, und es fließt ein Strom, der sogenannte Anodenstrom. Im umgekehrten Fall werden die
Elektronen abgestoßen, und die Röhre leitet den elektrischen Strom nicht, sie sperrt.
Die Elektroden befinden sich in einem evakuierten Glaskolben (der Druck liegt unterhalb 10-3Pa).
Die thermische Emission (Glühemission) wurde von O.W. Richardson untersucht, der für diese
Arbeiten im Jahre 1928 mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet wurde.
Einfaches Schaltsymbol einer Diode
Für den Versuch Elektrisches Feld werden benötigt:
Zwei regelbare Netzgeräte 0-30 V
Zwei digitale Multimeter (Gleichstrom-Spannungsmessung)
Eine Vakuumdiode (Grenzdaten Umax=10 V, Imax=50 mA, Pmax=400 mW, UHzmax=6.3 V)
Diverse Verbindungskabel
An einer Diode sind folgende Messungen durchgeführt worden:
1. Messung der Abhängigkeit des Anodentromes von der Heizspannung
Für eine fest eingestellte Anodespannung von 10 V ist der Anodenstrom für verschiedene
Heizspannungen zwischen 0 V und 6.3 V gemessen und graphisch in einem Diagramm dargestellt
worden.
2. Aufnahme der IA UA Kennlinie für verschiedene Heizpannungen
Für drei verschiedene Heizspannungen (UHZ= 3 V, 5 V ,6.3 V) wurde die Anodenstromkennlinie
gemessen und graphisch dargestellt.
3. Aufnahme der Nennlinie im Anlaufgebiet
Wegen der kinetischen Energie der aus der Kathode austretenden Elektronen fließt selbst bei
kleinen negativen Anodespannugen eine geringer (Anlauf) Anodenstrom. Im Beriech von +1 V
über 0 V zu 1 V der Anodenspannung von 6.3 V wurde der Anodenstrom gemessen und
graphisch dargestellt.
4. Die Endgeschwindigkeit der Elektronen für die Anodenspannung von 10 V wurde berechnet
Die Endgeschwindigkeit eines Elektrons ergibt sich aus der Elementarladung, der
Beschleunigungsspanunng (Anodenspannung) und der daraus erhaltenen kinetischen Energie des
Elektrons.
Bei der Messung sollten folgende Fehlerquellen vermieden werden:
Luftzug Kühlung von Bauteilen speziell die Diode: Folge fehlerhafte Messung
Messungen ohne Unterbrechungen durchführen keine Kontinuität der Messung
Bauteile und Mess/Netzgeräte korrekt bedienen kein Kurzschluß während der Messung, Bauteile
könnten schaden nehmen.
Messwertbereiche während der Messung nicht wechseln - Toleranzunterschiede
Berechnung der Endgeschwindigkeit der Elektronen:
Wkin = U * e = 10 V * 1.602*10-19 = 1.602*10-18
Wkin = 0.5m * v2
V
V
Wkin
*
m
2
* 1 . 602
9 . 109
V
2
1875473
18
* 10
* 10
31
m
s
Endgeschwindigkeit der Elektronen
Messwerttabelle und Diagramme wurden mit Microsoft Excel, Protokoll mit Microsoft Word erstellt.
Physik-Labor
Carl-Engler-Schule
Versuchsprotokoll:
Elektrisches Feld
-
Einführung
Geräte und Schaltplan
Aufgabenstellung
Fehlervermeidung
Berechnung Elektronengeschwindigkeit
Tabelle + Diagramme
Protokollanten:
Jens Karrer
Klaus Nowak
Klasse FTCCT1
Heidelberg ,den 1. März 1999
Karlsruhe