42530

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА МЕТОДОМ МАГНЕТРОНА

Книга

Физика

Энергия которую приобретает электрон при движении в электрическом поле с разностью потенциалов будет равна: 1 При включении тока в соленоиде его магнитное поле начинает действовать на электроны и отклонять их перпендикулярно к направлению вектора скорости электронов в каждый данный момент времени. Значение индукции и соответствующее ему значение тока...

Русский

2013-10-30

306.5 KB

13 чел.

ФГОУ ВПО «КАЛИНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

КАФЕДРА ФИЗИКИ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 106

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА МЕТОДОМ МАГНЕТРОНА

Методическое указание к выполнению лабораторной работы по курсу общей физики для студентов инженерно-технических специальностей

Калининград

2008

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. Важный случай движения электронов мы имеем при наличии двух полей - магнитного и электрического, перпендикулярных друг другу. Это осуществляется в специальных вакуумных трубках - магнетронах, которые можно использовать для определения удельного заряда электронов.

Магнетрон представляет собой двухэлектродную лампу, или диод, содержащую накаливаемый катод и холодный анод и помещаемую во внешнее магнитное поле. Это поле создается либо катушками с током, либо электромагнитом, между полюсами которого помещается магнетрон.

На практике применяют цилиндрические магнетроны. Их анод
представляет собой металлический цилиндр, а катод имеет также
цилиндрическую форму и расположен по оси анода. Магнитное поле,
создаваемое катушкой с током, перпендикулярно электрическому
полю между катодом и анодом. Следовательно, в случае с цилиндрическим магнетроном индукция магнитного поля  направлена
вдоль оси лампы. Рассмотрим движение электронов, движущихся под
действием рассматриваемой комбинации электрического и магнитно-
го полей. При отсутствии магнитного поля () электроны,
вылетающие вследствие термоэлектронной эмиссии с катода практически без начальной скорости, двигаются в электрическом поле
вдоль прямых линий, перпендикулярных катоду, т.е. вдоль радиуса (рис. 1). Энергия, которую приобретает электрон при движении в электрическом поле с разностью потенциалов  , будет равна:

                                                                                            (1)

При включении тока в соленоиде его магнитное поле начинает действовать на электроны и отклонять их перпендикулярно к направлению вектора скорости электронов в каждый данный момент времени. При слабом поле траектория движения электронов несколько искривляется, но электрон всё же попадает на анод. При некотором значении      траектория искривится настолько, что коснётся анода.  И, наконец, при дальнейшем увеличении поля, при , электрон вовсе не попадает на анод и возвращается   к катоду  (рис.2). В этом случае ток в анодной цепи прекращается. Значение индукции   и соответствующее ему значение тока соленоида    называются критической индукцией и критическим током соленоида.

1.2. Выведем рабочую формулу для расчёта удельного заряда.

Будем считать, что при  электроны движутся по окружности  радиусом    (где    R - радиус лампы,  или  расстояние от катода до анода).  Сила Лоренца     - это центростремительная  сила.

                             Рис.1                                                 Рис. 2

Тогда в соответствии со вторым законом Ньютона запишем:   

                                       ,                                           (2)

                                                                                           (3)

или, применив (1), получим:

                                                                                                  (4)      

Но  ,

где - относительная магнитная проницаемость;

       - магнитная  постоянная;

      = 15103 м-1 - число витков соленоида на единицу длины;

      - критическая сила тока в соленоиде,  т.е. значение тока, при котором прекращается анодный ток в лампе.

Подставим и окончательно имеем выражение:

                          ,  

      где         

В итоге рабочая формула имеет вид:

                                 

                                                                                                     (5)

2.  ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

2.1. В состав экспериментальной установки по определению удельного заряда электрона методом магнетрона входят следующие приборы:

  1.  Источник питания.
  2.  Миллиамперметр.
  3.  Кассета ФПЭ - 03 (удельный заряд электрона).

Блок-схема соединения приборов представлена на рис.3, принципиальная схема – на рис.6.

Экспериментальное определение отношения  методом магнетрона заключается в следующем:

В электронной лампе магнетрона устанавливается постоянная разность потенциалов между катодом и анодом, что является условием возникновения постоянного анодного тока. Изменяя силу тока в соленоиде, мы тем самым изменяем магнитную индукцию поля. Увеличение магнитной индукции приводит к падению анодного тока в лампе. Строя зависимость анодного тока от тока соленоида, определяем   для различных значений разности потенциалов на лампе.

2.2. Убедитесь, что все регулировочные ручки на источнике питания находятся в крайнем левом положении.

2.3. Включите вилку источника питания в розетку ~ 220 В, затем  тумблер «Сеть» на источнике питания – загорится сигнальная лампа.

2.4. Указатель пределов миллиамперметра поставьте в положение

«15 мА» в установке №106А, в положение «30 мА» - в установке №106Б.

         2.5. Утопите левую клавишу «Контроль тока», поворотом ручки 1 до упора по часовой стрелке установите ток накала лампы - амперметр «А» (см. схему рис.3) через 5-10 с  покажет значение (0,5÷0,7) А.

2.6. Ручкой 3 установите на лампе напряжение 80 В. Контроль - по шкале вольтметра «В» источника питания.

2.7. Утопите правую клавишу «Контроль тока». При этом стрелка амперметра «А» покажет величину тока соленоида в амперах.

2.8. Устанавливая ручкой «2» ток  соленоида последовательно от 0,4 до 2,5 А через 0,1 А, занесите в таблицу значения анодного тока лампы с миллиамперметра в делениях его шкалы, которые при обработке данных пересчитайте в мА. При пересчёте используйте текущее значение диапазона миллиамперметра.

Примечание: в случае, если не удастся установить ток 2,5 А, закончите работу на значении 2,4 А.

2.9. Верните ручку «2» источника питания в исходное положение (0,4А), установите на миллиамперметре установки №106А диапазон «60 мА»,  установки №106Б – «75 мА».

         2.10. Устанавливая на вольтметре последовательно значения анодного напряжения 100 В и 120 В,  повторите операции по п.п.4.5, 4.6.

2.11. После    снятия    показаний        выведите  все регулировочные ручки источника питания  в крайнее левое положение  в    последовательности «2», «3», «4». Выключите тумблер «Сеть» на источнике питания – погаснет сигнальная лампа,   отключите  установку от сети ~220 В.

2.12. Запишите технические данные измерительных приборов:

амперметр – класс 1,5; предел шкалы 3 А; цена минимального деления 0,1 А;

вольтметр – класс 1,5; предел шкалы 150 В; цена минимального деления 5 В;

миллиамперметр – предел шкалы 150 делений.

Используя значение предела шкалы миллиамперметра и значения  его Рабочего диапазона, пересчитайте анодные токи из делений в  мА.

2.13. Пользуясь данными таблицы, постройте графики  для = (80, 100, 120) В  на миллиметровой бумаге.

2.14. По построенным графикам найдите три значения  соответственно для = (80, 100, 120) В. Все расчёты ведите в системе единиц СИ.

Методика определения .

                                                   

 

                                                

Рис. 4

Рис.5

Теоретически график зависимости  должен соответствовать рис.4. В действительности же график имеет вид, соответствующий кривой на рис.5. Сбросовые характеристики не будут давать вертикального сброса вследствие того, что значения скоростей электронов, вылетающих с катода, неодинаковы. На графике выбирается участок  наиболее крутого падения , из середины этих участков опускаются перпендикуляры на ось , и точки пересечения определяют нам значения .

Принципиальная схема магнетрона

с измерительными приборами

Рис. 6

2.15. Вычислите три значения  по формуле (5), рассчитайте среднее. Используя полученные значения , рассчитайте случайную погрешность, приняв доверительную вероятность равной  р =  0,95. Табличное значение этой величины рассчитать по табличным значениям элементарного электрического заряда е = 1,6∙10-19 Кл  и массы покоя электрона m = 9,1∙10-31 кг.

2.16. Определите погрешность измерения  как погрешность косвенного измерения, включающую в себя погрешности прямых измерений  (приборную и округления). Расчёт проведите для значения  при U = 100 В.

2.17. По данным п.п. 2.15, 2.16 рассчитайте суммарную погрешность. При расчёте погрешностей руководствоваться методическими указаниями №100.

                                                                                                         Таблица

Ток соленоида

Ic, А

Рабочий диапазон миллиамперметра «60мА»

(150 делений миллиамперметра = 60 мА)

U=80 B

U=100 B

U=120 B

, дел.

, мА

, дел.

, мА

, дел.

, мА

0,4

0,5

0,6

«

«

2,3

2,4

2,5

3. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ (ПРИМЕРНЫЕ):

3.1. Как влияет магнитное поле на движение электронов в диоде?

         3.2. Что такое сбросовые характеристики? От чего и как они зависят?

         3.3. Как   определяется   значение индукции  критического   поля   Вкр   и   критической   силы   тока   Iкр  в соленоиде?

         3.4. Как повлияет на результат изменение направления тока в соленоиде?

4. ЛИТЕРАТУРА:

4.1. Савельев И.В., Курс общей физики, т.2. Электричество и магнетизм. Волны, оптика.  Учебное пособие, 2-е изд. перераб., М., Наука. 1982, с.496.

4.2. Калашников С.Г., Электричество, Учебное пособие, 5-е изд., М., Наука, 1985, с.576.

PAGE  

PAGE  8


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3

 

                                                    Блок

                    - схема   экспериментальной  установки

           по определению удельного заряда электрона

 

                                              методом магнетрона

                               

 

 

Источник питания

 

                                               Сеть

 

 

 

 

 

  

    

 

                         

 

 

1                      2                        3

 

Кассета ФПЭ

-

03

 

 

 

                      

     

<

 

                       

РА

 

                           

<

 

Миллиамперметр

 

Вариант «А» : 15(60) мА

 

Вариант «Б» : 30(75) мА

 

  

                                                       0

 

<

 

     

 

 

   Сеть

                                              1

 

<

 

 

 

А

 

Б

 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

76409. Амплитудно-фазовая частотная характеристика (АФЧХ) 54.81 KB
  Для практических целей удобнее пользоваться десятичными логарифмами и строить отдельно логарифмическую амплитудную частотную характеристику (ЛАХ) и логарифмическую фазовую частотную характеристику (ЛФХ).
76410. Построение переходной функции по ВЧХ замкнутой системы 297.32 KB
  Характеристику построенную в натуральном масштабе по оси частот аппроксимируем стандартными характеристиками :тогда очевидно чтогде616В настоящее время чаще всего используют в качестве стандартных характеристик трапеции рис. 68 при этом интеграл 616 может быть вычислен в видеРис 68617где параметр трапеции характеризующий ее форму см. рис. Рассмотрим построение переходной функции САР если ее ВЧХ имеет вид показанный на рис.
76411. Определение величины перерегулирования по ВЧХ 17.81 KB
  Приближенное значение величины перерегулирования можно определить по виду графиков ВЧХ -если ВЧХ монотонно убывающая, то = О, -если ВЧХ не возрастающая, то максимальное значение перерегулирования если ВЧХ возрастающая, то максимальное значение перерегулирования ...
76412. Алгоритм построения логарифмической амплитудной характеристики последовательного соединения типовых звеньев 59.87 KB
  Построение асимптотической ЛАХ последовательного соединения типовых звеньев сводится к суммированию на графике отрезков прямых линий с наклонами кратными 20 дБ дек. Используем более эффективный способ построения ЛАХ последовательного соединения звеньев который не требует построения ЛАХ отдельно каждого звена и последующего суммирования этих ЛАХ. Очевидно что результирующая ЛАХ от такого перераспределения параметров должна остаться без изменений. Построим ЛАХ звеньевсомножителей из 4.
76413. Признаки переходного и установившегося режимов работы САР 49.49 KB
  Признаки переходного и установившегося режимов работы САР Можно ли изучая выходной сигнал САР определить работает она на данном отрезке времени в переходном или установившемся режиме Для этого нужно более точно сформулировать что такое переходный и что такое установившийся режимы с практической точки зрения. Красная кривая переходный процесс при идеальном ступенчатом воздействии. Нарастание воздействия со скоростью примерно 8 ед сек сопровождается заметным переходным процессом голубая линия при скорости 4 ед сек переходный процесс...
76415. Преобразование Лапласа и его свойства 89.59 KB
  Различают прямое и обратное преобразование Лапласа. Прямое преобразование Лапласа определяется уравнением. Обратное преобразование Лапласа определяют из решения.
76416. Частотные характеристики САУ 83.42 KB
  Если на вход подавать синусоидальные колебания 1 то на выходе после затухания переходных процессов этим заниматься не будем также возникают синусоидальные гармонические колебания с той же частотой но с другой амплитудой и сдвинутые по фазе относительно входных колебаний: где φ сдвиг по фазе выходных колебаний относительно входных.угол φ Зависимость модуля АФЧХ от частоты колебаний ω называется амплитудно-частотной характеристикой. Зависимость сдвига фаз входных и выходных колебаний φ от частоты ω называется фазочастотной...
76417. Дифференциальные уравнения и передаточные функции 38.88 KB
  Введем понятие звена автоматической системы. При математическом описании системы удобно разбить систему на звенья и для каждого звена записать свое уравнение. Уравнение такого звена связывает две величины: x входная величина или воздействие и y выходная величина или реакция. Пусть момент времени t=0 выбран так что начальные условия на выходе звена являются нулевыми.