Цель работы: знакомство с методом магнетрона. Определение отношения заряда электрона к его массе. Задача



Дата13.01.2013
Размер72.2 Kb.
ТипДокументы




Цель работы: знакомство с методом магнетрона. Определение отношения заряда электрона к его массе .
Задача: измерить зависимость силы анодного тока магнетрона от силы тока в соленоиде при нескольких значениях анодного напряжения; построить сбросовые характеристики; определить критические значения индукции магнитного поля.
Приборы и принадлежности: кассета ФПЭ-03, содержащая магнетрон, источник питания, цифровой амперметр (миллиамперметр).

ВВЕДЕНИЕ
Для определения отношения е/m используется метод магнетрона. Магнетрон - это электронная лампа, в которой катод и анод образуют коаксиальную систему, помещенную в продольное однородное магнитное поле, создаваемое соленоидом. Вылетающие из катода термоэлектроны движутся в скрещенных электрическом и магнитном полях (напряженность направлена по радиусу от анода к катоду; индукция - вдоль оси магнетрона) под воздействием силы
, (1)

где е - заряд электрона;  - скорость электрона.

Первое слагаемое в правой части уравнения (1) - сила электростатического поля, направленная в сторону, противоположную вектору (т. к. электрон обладает отрицательным зарядом).

Второе слагаемое - сила Лоренца, которая изменяет направление движения электрона.

Силы, действующие на электрон в магнетроне, лежат в плоскости перпендикулярной оси системы. Движение электрона будет происходить тоже в этой плоскости, и для описания удобно использовать полярную систему координат r,  с началом отсчета, совмещенным с осью симметрии системы. Тогда в любой точке пространства между катодом К и анодом А сила электростатического поля имеет радиальное направление.

Сила Лоренца направлена перпендикулярно к касательной в данной точке траектории электрона.

Векторная диаграмма сил представлена на рис. 1, а; соответствующая кинематическая диаграмма - на рис. 1, б.



Рис. 1. Диаграммы сил в магнетроне:

а - векторная; б - кинематическая
Рассмотрим движение электрона в данных условиях.
Запишем уравнение динамики вращательного движения электрона относительно оси, совпадающей с центром выбранной системы координат:
(2)

где L = mr sin  = mr - момент импульса электрона;  =   sin  - тангенциальная составляющая скорости ;  - угол между векторами ; М = Fr - момент силы; - составляющая силы Лоренца (см. рис. 1).

С учетом вышесказанного уравнение (2) можно переписать следующим образом:
. (3)


Интегрируя уравнение (3), имеем
. (4)

Значение постоянной интегрирования находим из условия  = 0 при r = rк (rк - радиус катода), т. е.
. (5)

Тогда с учетом выражения (5) из (4) находим
. (6)

По закону сохранения энергии кинетическая энергия электрона равна работе сил электрического поля:
, (7)

где U - потенциал точки, в которой находится электрон относительно катода. Подставляя (6) в (7), имеем
. (8)

Когда индукция магнитного поля достигает значения Вкр, называемого критическим, радиальная составляющая скорости вблизи анода становится равной нулю.

Траектория движения электрона приобретает вид замкнутой окружности, и электрон не попадает на анод. Тогда уравнение (8) принимает вид
, (9)

где Uа, rа - потенциал анода относительно катода и радиус анода. Из выражения (9) определяем , т. е.

. (10)
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Установка состоит из трех блоков: источника питания ИП, кассеты ФПЭ-03 и цифрового амперметра РА. Блок-схема установки приведена на рис. 2. В кассете ФПЭ-03 находятся магнетрон и соленоид. В качестве магнетрона используется вакуумная лампа 6Ф6С, катод и анод которой представляют собой коаксиальные цилиндры. Радиус анода rа = 4,5 мм, радиус катода мал по сравнению с радиусом анода (rк  0,1rа), что позволяет упростить выражение (10):

. (11)



Рис. 2. Блок-схема установки

Лампа помещена внутри соленоида длиной l = 168 мм, диаметром d = 85 мм и числом витков N = 2700. Магнитное поле соленоида совпадает с осью симметрии лампы.

На лицевой панели блока ИП расположены амперметр А, вольтметр V, ручки реостатов R1, R2, R3 и кнопочный переключатель КП. При включении КП в положение 1 амперметр показывает значение тока накала Iнак лампы 6Ф6С, величина которого регулируется R1. Нить накала лампы расположена внутри катода. Увеличение Iнак приводит к усилению эмиссии электронов с катода и, следовательно, к росту анодного тока Iа.

При переключении КП в положение 2 амперметр показывает значение тока Iс в соленоиде L. Величина силы тока Iс регулируется реостатом R2.

Вольтметр V измеряет анодное напряжение Uа лампы, устанавливаемое реостатом R3.

Величина анодного тока Iа регистрируется цифровым амперметром РА.

Величина индукции магнитного поля соленоида определяется выражением

, (12)

где 0 = 4  10-7 Гн/м; - число витков на единицу длины соленоида.

Величина критического магнитного поля соленоида Вкр определяется по резкому уменьшению силы анодного тока Iа в лампе при некотором значении силы тока Iс. кр соленоида. Характерная зависимость Iа = f(Ic) (сбросовая характеристика) приведена на рис. 3.


В реальных условиях эксперимента изменение силы анодного тока в области Iс. кр может оказаться не резким, а достаточно плавным. Причин этому много: неоднородность магнитного поля, некоаксиальность электродов в лампе, наличие начальных скоростей у термоэлектронов и т. д. И все же перелом кривой может быть использован для определения Вкр: для нахождения критического значения силы тока Iс. кр в соленоиде необходимо провести до взаимного пересечения к точке перегиба сбросовой характеристики прямую, соответствующую изменению минимальных значений силы анодного тока (см. рис. 3).

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ


  1. Установить анодное напряжение Uа = 50 В по вольтметру V и ток накала Iнак = 0,5 А при включенном положении переключателя КП-1.

  2. Переключить переключатель в положение КП-2. Изменяя силу тока в соленоиде от минимального до максимального через 0,1 А при постоянном анодном напряжении Uа и токе накала Iнак, снять сбросовую характеристику, т. е. зависимость силы анодного тока Iа от силы тока Iс в соленоиде. Результаты сбросовой характеристики записать в табл. 1.

  3. Повторить измерения по пункту 2 при двух других значениях анодного напряжения (Uа = 40 и 30 В). Результаты измерений записать в табл. 1.


Таблица 1


Uа = 50 В

Uа = 40 В

Uа = 30 В

Iс, А

Iа, мA

Iс, А

Iа, мA

Iс, А

Iа, мA




















  1. Для каждого значения анодного напряжения построить сбросовые характеристики и определить критические значения силы тока Iс. кр в соленоиде. Полученные значения занести в табл. 2.


Таблица 2


Uа, В

Iс. кр, А

Вкр, Тл

е/m, Кл/кг













  1. Для каждого критического значения силы тока в соленоиде рассчитать по формуле (12) критическую индукцию магнитного поля.

  2. Вычислить величину e/m по формуле (11) для каждого критического значения индукции магнитного поля в соленоиде. Определить среднее значение е/m.

  3. Рассчитать теоретическое значение величины e/m и сравнить с экспериментальными значениями.



КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ


  1. Какая сила действует на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля?

  2. Как определить направление силы Лоренца?

  3. В чем состоит метод магнетрона для определения e/m?

  4. Что такое сбросовая характеристика?

  5. Что понимают под критическим значением магнитного поля соленоида?

  6. От чего зависит радиус кривизны траектории движения заряда в магнитном поле?

  7. Как изменится сбросовая характеристика при изменении тока накала лампы?

  8. Почему меняется сбросовая характеристика при изменении напряжения на аноде?

  9. Почему сбросовая характеристика изменяется плавно?

  10. Каков принцип действия вакуумного диода?



БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК


  1. Практикум по физике. Электричество и магнетизм / Под ред. Николаева Ф. А. - М.: Высш. шк., 1991. - 151 с.




  1. Трофимова Т. И. Курс физики. - М.: Высш. шк., 2000. - 541 с.

Похожие:

Цель работы: знакомство с методом магнетрона. Определение отношения заряда электрона к его массе. Задача iconЛабораторная работа №207 определение удельного заряда электрона методом магнетрона
Открыл электрон английский ученый Томсон. В 1897 г. Томсон опубликовал первые результаты по определению отношения заряда электрона...
Цель работы: знакомство с методом магнетрона. Определение отношения заряда электрона к его массе. Задача iconЛабораторная работа №36 опеределение удельного заряда электрона
Цель работы: изучение принципа работы электронного осциллографа и определение отношения заряда электрона к его массе (удельного заряда)...
Цель работы: знакомство с методом магнетрона. Определение отношения заряда электрона к его массе. Задача iconЗадача №7 Определение удельного заряда электрона
Целью лабораторной работы является изучение движения заряженных частиц в электрическом и магнитном полях и экспериментальное определение...
Цель работы: знакомство с методом магнетрона. Определение отношения заряда электрона к его массе. Задача iconЛабораторная работа №10 Определение удельного заряда электрона
Целью лабораторной работы является изучение движения заряженных частиц в электрическом и магнитном полях
Цель работы: знакомство с методом магнетрона. Определение отношения заряда электрона к его массе. Задача iconМетодические указания к лабораторной работе Москва, 2003 г. Лабораторная работа 2 Определение концентрации раствора методом титрования
Цель работы: ознакомление с понятием "растворы" и способами выражения содержания растворенного вещества; определение концентрации...
Цель работы: знакомство с методом магнетрона. Определение отношения заряда электрона к его массе. Задача iconАтом водорода
Ридберга; – модуль заряда электрона; V – скорость поступательного движения; собственная длина волны электрона; и длина волны и комптоновский...
Цель работы: знакомство с методом магнетрона. Определение отношения заряда электрона к его массе. Задача iconТимофей Гуртовой электрический заряд сущность физическая сущность заряда
Принята и единица заряда – Кулон, которая выражает определённую величину количества электричества. Наименьшим количеством электричества...
Цель работы: знакомство с методом магнетрона. Определение отношения заряда электрона к его массе. Задача iconЛабораторная работа №8/2 определение отношения удельных теплоемкостей воздуха
Цель данной работы является экспериментальное определение отношения удельных теплоемкостей воздуха при постоянном давлении и постоянном...
Цель работы: знакомство с методом магнетрона. Определение отношения заряда электрона к его массе. Задача iconЛабораторная работа №41 Определение показателя преломления жидкостей с помощью рефрактометра
Цель работы: определение показателя преломления жидкостей методом полного внутреннего отражения с помощью рефрактометра ирф-454Б;...
Цель работы: знакомство с методом магнетрона. Определение отношения заряда электрона к его массе. Задача iconТема: Индикация состояния окружающей среды методом оценки
Цель работы: исследование рекреационных зон и определение состояния окружающей среды методом оценки симметрии листовой пластинки...
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org