5. Экспериментальная установка

Схема экспериментальной установки для определения удельного заряда электрона методом магнетрона показана на рис. 7.

Д иод 3Ц18П с цилиндрическим анодом и вольфрамовой нитью накала, протянутой по его оси, смонтирован на специальном держателе с выходными гнёздами «катод-анод» (К-А) и парой накальных (Н-Н). Держатель позволяет вводить диод в середину катушки, создающей осевое магнитное поле В. Синусоидальное напряжение накала 3 В вырабатывается генератором Г_н и регулировке не подлежит. Ток накала I_н=210 мА. Анодное напряжение U снимается с генератора Г_а и может регулироваться от 0 до 40 В. Анодный ток измеряется амперметром мА, а анодное напряжение – встроенным в генератор Г_а вольтметром V. Радиус анода r_а=5,5 мм.

Генератор Г_к питает катушку, ток через которую измеряется амперметром А. Реостат R_рег (600 Ом) служит для улучшения режима работы генератора Г_к и для регулирования тока катушки I_к. Магнитное поле в центре катушки, где находится диод, пропорционально току через катушку:

В=αI_к; (12)

для обмотки N=3600 витков коэффициент α=16 мТл/А.

Генераторы Г_н, Г_а и Г_к размещены в едином блоке питания. Переключатель «Измерение напряжения» на передней панели блока питания служит для переключения встроенного вольтметра к выходным гнёздам генераторов Г_к и Г_а.

6. Программа работы

6.1. Измерения

1. Собрать установку в соответствии с рис. 7. ввести диод в центр катушки. В катушке используется полная обмотка с числом витков N=1200+2400=3600.

Сопротивление реостата R_рег установить максимальным.

2. Включить блок питания, содержащий генераторы Г_к (питание катушки), Г_а (анодное) и Г_н (накальное).

3. Вставить анодное напряжение U=20 В и снять зависимость анодного тока от тока катушки I(I_к). Для этого:

● установить выходное напряжение генератора Г_к максимальным (около 60 В);

● варьируя ток катушки I_к, реостатом R_рег в диапазоне примерно от 100 до 600 мА, отмечать значения анодного тока (мА); плотность экспериментальных точек на графике I(I_к) должна быть такой, чтобы ими вполне определённо обозначался участок спада кривой I(I_к), например, можно взять интервал ΔI_к=25 мА; для более точного выставления нужных значений I_к можно пользоваться регулятором выходного напряжения генератора Г_к на передней панели блока питания, но его выходное напряжение, по возможности, должно поддерживаться вблизи максимума, так как работа генератора на низкоомную нагрузку приводит к перегреву выходного транзистора генератора Г_к.

4. Выполнить задание п. 3 для анодных напряжений U=30 и 40 В.

5. Вывести все напряжения до нуля и выключить блок питания.

6.2. Обработка результатов

1. Для трёх напряжений U=20, 30 и 40 В построить графики I(I_к).

2. По каждому из графиков определить критический ток катушки , а затем по формуле (12) найти соответствующие критические поля В_кр. Поскольку границы спада графиков I(I_к) сильно размыты, то, для определённости, значение рекомендуется брать из графика I(I_к) на уровне 0,5I_max, где I_max – максимальный анодный ток для данного анодного напряжения.

3. Для каждой из трёх пар (U, В_кр) по формуле (11) вычислить e/m.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Что такое критическое магнитное поле в методе магнетрона?

2. Записать в декартовых координатах уравнения движения электрона в скрещенных однородных полях В и Е и решить их с нулевыми начальными условиями.

3. Показать. что траектория точки на ободе колеса радиусом R, катящегося по плоскому катоду вдоль оси х, описывается уравнением (3).

4. При каких начальных условиях электрон будет двигаться в скрещенных однородных полях В и Е по прямой?

5. Вывести формулу (4) из уравнения (2) и закона сохранения энергии, как это сделано для цилиндрического диода.

6. Показать, что в цилиндрических (полярных) координатах (r, φ) компоненты скорости электрона υ такие: υ_r= , υ_φ= .

7. Вывести формулу (11).

8. Какова траектория электрона, влетающего в однородное магнитное поле под углом к вектору В ?

9. Какова траектория электрона, влетающего в однородное электрическое поле под углом к вектору Е?

1 0. Перечислить причины невысокой точности определения e/m в данной работе. Что можно практически предпринять, чтобы эту точность повысить?

11. Какие ещё существуют методы определения удельного заряда электрона?

12. Электрон движется «рядом» с прямым нейтральным проводом с током. Стрелка тока i и вектор скорости электрона показаны на рис. 8 в вариантах (а) и (б). Указать направление силы , действующей на электрон в каждом варианте.

1 3. Вакуумный прибор состоит из соосных цилиндра радиусом R и тонкой проволоки, помещенных в однородное продольное магнитное поле В (рис. 9). При нагревании проволоки с её поверхности вылетают электроны со скоростями υ, и по внешней цепи между цилиндром и проволокой протекает ток. Если увеличивать поле В, то, начиная с некоторого значения В=В_кр, ток прекратится. Вычислить это В_кр. Скорости вылета электронов считать одинаковыми.

Ответ. В_кр= .

ЛИТЕРАТУРА

1. Калашников С. Г. Электричество. – М.: Наука, 1977. – §§ 178, 179, 182, 184.

2. Шимони К. Физическая электроника. – М.: Энергия, 1977, с. 25-32.

Работа № Ф318