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Trabalho sobre o efeito termiônico...

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EFEITO TERMIÔNICO

Relatório apresentado à disciplina de Laboratório de Física Moderna - FIS320 sobre a prática de efeito termoiônico.

V MINAS GERAIS ABRIL/2019

Conteúdo 1 2 3 4 5

Introdução . . . . . . . . Objetivos . . . . . . . . Montagem Experimental Resultados e Discuções . Conclusões . . . . . . .

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1 Introdução O efeito termoiônico é definido como a emissão de elétrons por uma superfície metálica aquecida, o qual foi visualizado pela primeira vez Charles DuFay [1]. Em 1883, o inventor Thomas Edison observou novamente esse fenômeno [1], [2], [7] e [4]. Em suas análises, ele notou que um filamento aquecido no vácuo era capaz de transmitir elétrons.O que deu origem à válvulas, diodos e transistores, para o desenvolvimento da eletrônica moderna [2]. Tais dispositivos apresentam fluxo em apenas uma direção, seguindo o sentido do filamento com maior temperatura para o de temperatura mais baixa [8]. Em 1916, Richardson propôs uma equação, que em 1930 foi corrigida por Dushman, que associa a corrente que é transmitida pelo efeito termoiônico à características do material. Como a função trabalho do material (Φ ), por exemplo. Essa equação é definida como Ψ

IA = aAT 2 exp−kT ,

(1)

4πemk2

(2) h3 sendo a a área superficial do material, e a carga do elétron, m a massa do elétron, k a constante de Boltzman, h a constante de Planck, T a temperatura (em Kelvin) do material e Φa função trabalho do material. Definindo o catodo como o filamento que é aquecido e o anodo como como o filamento que recebe os elétrons. Entre esses filamentos é gerada uma diferença de potencial onde, experimentalmente, foi observado que no terminal negativo está localizado o catodo e no positivo o anodo. Quando aquecido suficientemente o catodo, ocorre um fluxo de elétrons para o anodo. A partir da análise do processo de emissão de elétrons pelo catodo e de sua absorção pelo anodo, pode-se traçar uma expressão para a corrente coletada pelo anodo. Para elétrons planos, a corrente é dada pela lei de Child [10], A=

I = BV 3/2

(3)

em que B é uma constante que depende da geometria do sistema e V é a diferença de potencial entre o catodo e o anodo.

2 Objetivos Verificar a validação da leis de Richardson-Dushman e da lei de Child para o experimento para o aparelho utilizado.

3 Montagem Experimental Na figura 1 temos a montagem do experimento para a observação do efeito termoiônico. A fonte que, na figura vai de 0-8V é a fonte responsável por aquecer o filamento conectado à F3. Quando esse filamento é aquecido, pode ocorrer uma passagem de elétron para a outra polarização do equipamento, promovendo assim um fluxo de elétrons que pode ser medido a partir do amperímetro IA . A fonte que possui uma diferença de potencial variável de 0-500V é responsável por gerar uma diferença de potencial entre o filamento conectado à C5 e o filamento conectado ao amperímetro IA .

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Figura 1: Montagem do experimento.

4 Resultados e Discuções Assim como realizado por [1] porém, utilizando um aparelho similar, alteramos a voltagem na fonte de 0-8V com valores no intervalo [6,10V;6,80V] e, para cada voltagem nessa fonte, alteramos o potencial da fonte 0-500V com valores entre [40V;110V] e medimos a corrente para cada uma dessas condições. A corrente que passa pelo anodo é diferente para cada um dos potenciais definidos na fonte 0-8V, configurando assim um efeito termoiônico. Como no gráfico de corrente versus potencial, fig.2, não chegou próximo a um valor de corrente constante, ou seja, ao valor da corrente medida após a saturação, devido ao limite da diferença de potencial que poderia ser aplicada no aparelho, realizamos medidas com os valores máximos de corrente que puderam ser medidas para esse experimento. Sendo assim, agora podemos utilizar a equação 1 para obter uma aproximação da função trabalho do catodo. Utilizando então 1, temos ΨaA IA . (4) )=− kT T2 E, pela regressão linear de 3, temos que, o valor encontrado para o coeficiente angular corresponde a Ψ

IA = aAT 2 exp− kT → ln(

ΨaA αk . (5) →Ψ= aA k Sendo assim, temos que o valor da função trabalho do catodo é de, aproximadamente, 1, 25eV . É importante ressaltar que, para esse experimento, deve-se considerar o cálculo da densidade de corrente no anodo, no processo de emissão e absorção de elétrons. Realizando o cálculo do logaritmo dos valores de corrente e potencial medidos, os mesmos valores utilizados para a aproximação da lei de Richardson-Dushman, podemos gerar o gráfico 4. Calculando o fit linear deste gráfico, encontramos um coeficiente angular de 0.99, que difere em 66% do valor esperado pela lei de Child (=1.5), eq.3. α =−

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Figura 2: Corrente de tensão medida pelo amperímetro IA versus diferença de potencial entre o filamento que sai em C5 e o filamento onde se encontra o amperímetro IA .

Figura 3: Determinação da função trabalho - Equação de Richardson Dushman.

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Figura 4: Lei de Child. Corrente versus potencial do anodo (escala logarítimica).

5 Conclusões Analisando os dados e gráficos obtidos do experimento, observamos que não pudemos chegar próximo dos valores da corrente de saturação para nenhum dos casos, já que, por limitações do sistema não obtivemos diferenças de potencial entre o anodo e o o filamento C5 acima de 110V, a qual é baixa comparada ao mínimo proposto por E. F. de Lima et al [1], que era de 200V. Provavelmente, essa restrição do equipamento fez com que os valores obtidos pela análise dos dados e aplicação nas equação da lei de Child obtivisse um valor diferente do experado. Para a lei de Richardson-Dushman, o valor encontrado para a função trabalho do material coincide, em ordem de grandeza, com outros valores medidos.

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Bibliografia [1] E.F. de Lima, M. Foschini e M. Magini. O Efeito Termoiônico: Uma Nova Proposta Experimental, Instituto de Física de São Carlos, USP. Revista Brasileira de Ensino de Física, vol. 23, no. 4, Dezembro, 2001. [2] O Efeito Termoiônico. . (Acesso em: 20/04/2019). [3] Efeito trons?.

termoiônico:

como

acontece

e

para

onde

vão

os .

elé-

(Acesso

em: 20/04/2019). [4] O Efeito Termoiônico e a Válvula Diodo. .

(Acesso

em:

20/04/2019). [5] EFEITO

TERMO-IÔNICO. .

(Acesso

em: 20/04/2019). [6] O Que é Efeito Termoiônico?. . (Acesso em: 20/04/2019). [7] O

Que

é

Efeito

Termoiônico?. . (Acesso em: 20/04/2019).

[8] O Efeito Termoiônico. em: 20/04/2019).

. (Acesso

[9] John D. McGervey: Intorduction to Modern Physics, Academic Press, INC. Lodon, UK. [10] A. C. Melissimos: Experiments in Modern Physics , Academic Press INC., Florida, USA.

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