Физика \ Физика

Определение удельного заряда электрона методом магнетрона (Лабораторная работа № 41)

Страницы работы

5 страниц (Word-файл)

Скачать файл

Содержание работы

Лабораторная работа № 41

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА

МЕТОДОМ МАГНЕТРОНА

Цель работы: определить удельный заряд электрона методом магнетрона.

Приборы и принадлежности: рабочее устройство (кассета) ФПЭ – 3, источник питания ИП, вольтметр ламповый.

1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

В качестве магнетрона служит двухэлектродная вакуумная лампа – диод, помещенная в магнитное поле. На рисунке 1 схематически показано устройство магнетрона. Электроны, летящие от катода к аноду, испытывают одновременно действие двух полей: электрического поля и магнитного - Электрическое поле направлено по радиусу анода, а магнитное поле - параллельно его оси, то есть электроны движутся во взаимно перпендикулярных полях. В отсутствие магнитного поля электроны летят под воздействием электрического поля от катода к аноду прямолинейно по радиусам (рисунок 2). В анодной цепи возникает ток, зависящий от анодного напряжения и тока накала. Если при фиксированном анодном напряжении и токе накала создать небольшое магнитное поле, направленное за чертеж (рисунок 2), то на электроны будет действовать сила Лоренца, искривляющая их траекторию. По мере увеличения магнитного поля траектория электронов все более искривляется и при некотором значении В_кр (критическом) электроны возвращаются на катод, не касаясь анода, то есть анодный ток становится равным нулю. На практике нулевое значение анодного тока не достигается, так как часть электронов все же достигает анода, но отмечается резкое падение анодного тока.

Зависимость анодного тока от магнитной индукции при постоянном токе накала и анодном напряжении

(рисунок 3) называется сбросовой характеристикой магнетрона. Расчет удельного заряда в данной работе производится из следующих соображений.

Сила Лоренца, действующая на электрон со стороны магнитного поля:

где – заряд электрона, Кл; - скорость электрона, м/с; B – магнитная индукция, Тл.

Эта сила по характеру является центростремительной:

(1)

где m– масса электрона, кг; R – радиус кривизны траектории, м.

Предполагая, что В = В_кр, радиус траектории электрона равен половине радиуса анода (рисунок 2, траектория 3):, где - радиус анода.

Из формулы (1) получаем (2)

Скорость электрона определяем из условия, что кинетическая энергия электрона равна работе электрического поля:

(3)

где – анодное напряжение.

Из формулы (3) скорость электрона:

(4)

В_кр определяем по формуле:

, (5)

где m₀ – магнитная постоянная ; I_кр – ток в соленоиде, при котором анодный ток близок к нулю; N – число витков соленоида; – длина соленоида, м.

Подставляя выражение (4) в формулу (2), получаем:

(6)

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Формула (6) позволяет вычислить удельный заряд электрона из условия, что при анодном напряжении U_аи магнитном поле в соленоиде с индукцией В_кр все электроны перестают попадать на анод. Если бы скорости всех электронов были одинаковы, то с увеличением тока в соленоиде I_s, а, следовательно, индукции В магнитного поля, анодный ток I_aв лампе изменялся бы так, как это изображено на рисунке 4 пунктирной линией. На самом деле вертикального спада анодного тока не наблюдается, так как электроны, вылетающие с поверхности катода, обладают различными скоростями, и зависимость ) имеет вид сплошной кривой. Такую зависимость можно получить с помощью магнетрона. Магнетрон собран внутри кассеты ФПЭ – 3, которая представляет собой прямоугольную коробку с крышкой из оргстекла.

Электрическая схема установки изображена на рисунке 5. В неё входят следующие элементы: соленоид

; реостат

; амперметр для измерения тока в цепи соленоида

; анод

; катод

; амперметр, измеряющий анодный ток

; вольтметр, измеряющий анодное напряжение

; потенциометр для изменения анодного напряжения

На рисунке 6 изображена блок – схема установки: ФПЭ – кассета; В – 7 – 40/4 - ламповый вольтметр; ИП – источник питания; mA – миллиамперметр для измерения анодного тока; А – амперметр для измерения тока в соленоиде; В – вольтметр для измерения анодного напряжения; I – рукоятка для регулировки тока накала; 2- рукоятка для изменения тока в соленоиде; 3 – рукоятка для изменения анодного напряжения.

Рис. 6

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Задание: Определить удельный заряд электрона .

1. Ознакомьтесь с электрической схемой установки (рисунок 5).

2. Ознакомьтесь с блок-схемой (рисунок 6) и самой экспериментальной установкой.

3. Включите установку (рисунок 6, тумблер «Сеть»).

4. С помощью рукоятки 3 подайте на анод напряжение (по указанию преподавателя 60 – 100 В).

5. С помощью рукоятки 1 отрегулируйте ток накала (~4 В). Снимите показание mAпри отсутствии тока в соленоиде.

6. Рукояткой 2 изменяйте ток в соленоиде с шагом 0,1 – 0,2 А и снимайте зависимость анодного тока от тока в соленоиде. Данные измерений занесите в таблицу результатов измерений.

7. Повторите пп.4 – 6 при другом анодном напряжении и занесите данные в таблицу результатов измерений.

8. По данным таблицы постройте на миллиметровой бумаге графики зависимости для и . На рисунке 3 дается график зависимости , но ; то есть , поэтому построим график .