- •Электричество и магнетизм
- •Введение
- •Правила техники безопасности при работе с электрическими приборами и схемами
- •Основные электроизмерительные приборы физической лаборатории
- •Основные системы электроизмерительных приборов
- •1. Магнитоэлектрическая система
- •2. Электромагнитная система
- •3. Электродинамическая система
- •4. Индукционная система
- •5. Тепловая система
- •6. Электростатическая система
- •7. Вибрационная система
- •Определение диэлектрической проницаемости твердого диэлектрика
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Перепишем соотношение (2.7) в виде
- •Так как объемная плотность энергии электрического поля
- •Экспериментальная часть
- •Методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Определение удельного сопротивления проводника
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов измерений
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Изучение температурной зависимости сопротивления металлов и полупроводников
- •Теоретическое введение
- •Полупроводники
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Экспериментальная установка
- •Порядок выполнения работы
- •К онтрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Изучение зависимости мощности и кпд источника тока от величины нагрузки
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Методика измерений
- •Экспериментальная часть
- •Приборы и оборудование: ип – источник питания, фпэ-06 – модуль “Определение работы выхода”, pv – вольтметр (прибор ф-214 1/2), pa – амперметр (прибор ф-214 1/4). Экспериментальная установка
- •Порядок выполнения работы
- •Принципиальная электрическая схема
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •М етодика измерений
- •Экспериментальная установка
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Проверка закона Био-Савара-Лапласа и определение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Экспериментальная установка и методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов измерений
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Изучение магнитного поля короткой катушки
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Методика измерений
- •Экспериментальная установка
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Изучение магнитного поля постоянного магнита
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Методика измерений
- •Экспериментальная установка
- •2. Измерение тока проводить до 20 мА. Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Методика измерений
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Лабораторная работа 2-15 Изучение эффекта Холла в полупроводнике
- •Теоретическое введение
- •Измерительная установка и методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Приборы и оборудование: звуковой генератор гс-118 (pq, рис.16.7 и 16.8), электронный осциллограф с1-150 (ро), модуль “явление гистерезиса” фпэ–07. Экспериментальная установка и методика измерений
- •По закону Фарадея эдс индукции по вторичной обмотке
- •Из выражения (16.15) и (16.16) получаем
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Экспериментальная установка и методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Изучение электрических процессов в простых линейных цепях при действии гармонической электродвижущей силы (фпэ-09)
- •Теоретическое введение
- •Методика измерений
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Изучение явления резонанса в колебательном контуре
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Экспериментальная установка и методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Экспериментальная часть
- •Описание установки и методика эксперимента
- •Зарядка установки
- •Методика определения ёмкости установки
- •Методика определения ёмкости проводника (шара)
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
Контрольные вопросы
Дайте определение магнитного момента. Чему равен орбитальный магнитный момент электрона в атоме?
Как связаны между собой орбитальный магнитный момент и механический момент импульса электрона в атоме?
Чему равен и как направлен момент силы, действующий на контур с током в магнитном поле? Как ведет себя контур с током в магнитном поле?
Дайте определение намагниченности вещества.
Что такое магнитная проницаемость и магнитная восприимчивость вещества? Как они связаны между собой?
Каковы свойства парамагнетиков, диамагнетиков, ферромагнетиков?
Какова причина спонтанной намагниченности доменов в ферромагнетиках?
Как ведут себя домены при увеличении напряженности внешнего магнитного поля? Что означает насыщение ферромагнетика?
В чем заключается явление магнитного гистерезиса?
Объясните зависимость μ=f(H) (рис.16.6).
Используемая литература
[1] §§ 21.3, 24.1, 24.2, 24.3, 24.5.
[2] §§ 14.7, 16.1, 16.2, 16.3, 16.5, 16.6, 16.7.
[3] §§ 2.43, 2.48, 2.49, 2.50, 2.51.
[4] §§ 46, 51, 52, 53, 55, 56, 57, 58, 59.
[5] §§ 109, 131, 132, 133, 135, 136.
Лабораторная работа 2-17
Определение удельного заряда электрона методом магнетрона
Цель работы – изучение движения заряженных частиц в скрещенных электрическом и магнитном полях; ознакомление с работой электровакуумной лампы 6Ж32П (или индикатора 6Е5С); измерение удельного заряда электрона методом магнетрона.
Теоретическое введение
Удельным зарядом называется отношение заряда частицы к ее массе (e/m). На заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, действует сила Лоренца, которую иначе называют магнитной:
, (17.1)
где q – заряд частицы; – ее скорость; – индукция магнитного поля.
Сила Лоренца перпендикулярна плоскости, в которой лежат векторы и . Модуль этой силы
, (17.2)
где – угол между векторами и .
Траектория движения заряженной частицы в магнитном поле определяется конфигурацией магнитного поля, ориентацией вектора скорости и отношением заряда частицы к ее массе.
Так как сила Лоренца перпендикулярна вектору скорости , то она может изменить не величину, а только направление скорости частицы.
Если в пространстве, где движется электрон, имеются одновременно электрическое и магнитное поля, то сила, действующая на заряженную частицу, определяется по формуле Лоренца,
, (17.3)
где – напряженность электрического поля. Первое слагаемое в формуле (17.3) представляет собой электрическую составляющую силы Лоренца, второе – магнитную:
. (17.4)
В общем случае действия обеих составляющих будет происходить изменение скорости электрона как по величине, так и по направлению.
Существуют различные методы определения удельного заряда частиц e/m, в основе которых лежат результаты исследования движения электрона в электрическом и магнитном полях. Один из них – метод магнетрона. Называется он так потому, что конфигурация полей в нем напоминает конфигурацию полей в магнетронах – генераторах электромагнитных колебаний сверхвысоких частот.
Сущность метода состоит в следующем: специальная двухэлектродная электронная лампа, электроды которой представляют собой коаксиальные цилиндры, помещается внутри соленоида так, что ось лампы совпадает с осью соленоида. Представим себе находящиеся в вакууме металлический цилиндр и металлическую накаливаемую нить, натянутую вдоль оси цилиндра (рис.17.1).
Рис. 17.2
Если между нитью и цилиндром приложить разность потенциалов так, чтобы нить являлась катодом, а цилиндр – анодом, то электроны, вылетающие из нити, будут под действием электрического поля притягиваться к цилиндрическому аноду. Их движение будет прямолинейным и ускоренным. Если дополнительно создать однородное магнитное поле внутри цилиндра, вектор индукции которого параллелен оси цилиндра, то вылетающие из нити электроны, пересекая линии магнитного поля, будут двигаться уже не по радиальным, а по кривым линиям. Искривление траектории электронов будет тем больше, чем больше сила Лоренца, пропорциональная индукции магнитного поля. Практически такое наложение электрического и магнитного полей можно осуществить, поместив электронную лампу с цилиндрическим анодом в соленоид с током. Разогрев катод и создав некоторую разность потенциалов между катодом и анодом, будем пропускать через соленоид постоянный ток, создавая тем самым магнитное поле внутри цилиндра-анода. Тогда на электрон, вылетевший из катода, одновременно будут действовать силы со стороны электрического и магнитного полей. Электрическая сила направлена по радиусу от катода к аноду.
С
Z
Рассмотрим подробнее движение электронов в лампе при наличии магнитного поля. Для описания этого движения воспользуемся цилиндрической системой координат (рис. 17.4), в которой положение электрона определяется расстоянием его от оси лампы r, полярным углом и смещением вдоль оси Z . Электрическое поле, имеющее только радиальную компоненту, действует на электрон с силой, направленной по радиусу от катода к аноду. Магнитная сила, действующая на электрон, не имеет составляющей, параллельной оси Z. Поэтому электрон, вылетающий из катода без начальной скорости (начальные скорости электронов, определяемые температурой катода, много меньше скоростей, приобретаемых ими при движении в электрическом поле лампы), движется в плоскости, перпендикулярной оси Z.
М
Z
(17.5)
где – составляющая скорости, перпендикулярная радиусу r. Момент М сил, действующих на электрон относительно оси Z, определяется только составляющей магнитной силы, перпендикулярной r. Электрическая сила и составляющая магнитной силы, направленные вдоль радиуса r, момента относительно оси Z не создают. Таким образом:
, (17.6)
где – радиальная составляющая скорости электрона.
По уравнению моментов
(17.7)
Проецируя (17.7) на ось Z, с учетом (17.6) получаем:
или
(17.8)
Интегриря уравнение (17.8), получаем: .
Константу найдем из начальных условий: при r=rk (rk – радиус катода) , тогда и
. (17.9)
Кинетическая энергия электрона равна работе сил электрического поля:
, (17.10)
где U – потенциал относительно катода точки поля, в которой находится электрон.
Подставляя в (17.10) значение из (17.9), получаем
(17.11)
П ри некотором значении индукции магнитного поля Bкр, которое называют критическим, скорость электрона вблизи анода станет перпендикулярной радиусу r. т.е. . Тогда уравнение (17.11) примет вид:
,
где Uа – потенциал анода относительно катода (анодное напряжение); ra – радиус анода.
Отсюда находим выражение для удельного заряда электрона:
Рис.17.5
Таким образом, экспериментально определив Вкр, можно вычислить величину (e/m). Для нахождения Вкр в лампе следует установить разность потенциалов между анодом и катодом и, включив ток в соленоиде, постепенно наращивать его, что увеличивает магнитное поле в лампе. Если бы все электроны покидали катод со скоростью, равной нулю, то зависимость величины анодного тока от величины индукции магнитного поля имела бы вид, показанный на рис. 17.5 (пунктирная линия). В этом случае при B<Bкр все электроны, испускаемые катодом, достигали бы анода, а при B>Bкр ни один электрон не попадал бы на анод. Однако некоторая некоаксиальность катода и анода, наличие остаточного газа в лампе, падение напряжения вдоль катода, неоднородность поля соленоида по высоте анода и т.п. приводят к тому, что критические условия достигаются для разных электронов при различных значениях В. Все же перелом кривой остается достаточно резким и используется для определения Вкр.