МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

КАФЕДРА ФИЗИКИ

Определение удельного заряда электрона методом магнетрона

Методические указания к лабораторной работе №17 по физике

(Раздел «Электричество»)

Ростов-на-Дону 2012

УДК 530.1

Составители: Е.С. Богославская, А.Б. Гордеева, Т.И. Гребенюк, В.Л.Литвищенко

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА МЕТОДОМ МАГНЕТРОНА: метод. указания к лабораторной работе № 17 по физике (раздел Электричество). – Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2012. – 11 с.

Указания содержат краткое описание рабочей установки и методики определения удельного заряда электрона методом магнетрона.

Методические указания предназначены для студентов инженерных специальностей всех форм обучения в лабораторном практикуме по физике (раздел «Электричество»).

Печатается по решению методической комиссии факультета

«Нанотехнологии и композиционные материалы»

Научный редактор д-р техн. наук, проф. В.С. Кунаков

© Издательский центр ДГТУ, 2012

Определение удельного заряда электрона методом магнетрона

Цель работы: изучение особенностей движения заряженных частиц (электронов) в скрещенных электрическом и магнитном полях и определение отношения заряда электрона к его массе.

Оборудование: двухэлектродная электронная лампа с цилиндрическим анодом, соленоид, блоки питания лампы и соленоида, реостат, потенциометр, вольтметр, амперметр, соединительные провода.

Теоретическая часть

Удельный заряд частицы – это отношение ее заряда к массе . На любой заряд, в том числе и электрон, движущийся в магнитном поле, действует сила Лоренца, определяемая выражением , или , где - заряд, -его скорость, - индукция магнитного поля, в котором движется заряд, угол - угол между векторами и . Направление для положительных зарядов можно определить по «правилу левой руки» (рис.1). Для отрицательных зарядов вектор силы будет направлен в противоположную сторону.

Если вектораы и параллельны, то сила Лоренца равна нулю. Заряд при этом условии равномерно движется вдоль линий поля.

Если магнитное поле однородно, а векторы и перпендикулярны, то сила Лоренца является центростремительной силой, и траектория движения электрона представляет собой окружность.

Если то траектория движения электрона представляет собой винтовую линию [1].

Электронная лампа помещается в однородное магнитное поле, век­тор магнитной индукции которого направлен вдоль ее оси (рис. 2). Магнитное поле создается доста­точно длинным соленоидом. Век­тор напряженности электриче­ского поля направлен по ра­диусу от анода к к атоду, т.е. век­торы напряжен-ности электриче­ского и ин-дукции магнитного полей взаимно перпендику­лярны. Ма-гнитная индукция изменя-ется за счет изменения тока в соленоиде. В результате будут изменяться траектории электронов и анодный ток магнетрона.

Рассмотрим качественно ха­рактер движения электронов в лампах такой конструкции в зави­симости от величины индукции магнитного поля при постоянной разности поте-нциалов между катодом и анодом, и постоянной силе тока накала в предположении, что электроны покидают катод с нулевой начальной скоростью. Очевидно, что при от­сутствии магнитного поля электроны, испускаемые катодом, под действием электрического поля с напряженностью будут двигаться от катода к аноду прямолинейно (рис. 3, a), и в анодной цепи возникнет некоторый ток, зависящий от анодного напряжения и силы тока (темпе­ратуры) накала катода.

Если, не изменяя потенциала анода и силы тока накала, создать не­большое магнитное поле , перпендикулярное к плоскости чертежа (рис. 3, б), то вследствие действия силы Лоренца траектории­электронов искривляются, но по-прежнему все электроны достигнут анода, и в анодной цепи будет протекать ток такой же силы, как и в от­сутствие магнитного поля. По мере увеличения индукции магнитного поля траектории электронов будут искривляться все больше и больше и при некотором значении , называемом критическим, начнут «проскальзывать» у поверхности анода (рис. 3,в).

Рис. 3. Влияние магнитного поля на траекторию движения электрона (вектор направлен к читателю)

Таким образом, при сила анодного тока резко уменьшится до нуля. При дальнейшем увеличении траектории электронов будут искривляться еще больше и, следовательно, анодный ток будет оставаться равным нулю.

Зависимость анодного тока от величины индукции магнитного поля при постоянном анодном напряжении и постоянной силе тока накала катода называется сбросовой характеристикой магнетрона.

Резкий (вертикальный) сброс анодного тока (рис. 4, а) при = справедлив лишь в предположении, что все электроны покидают анод со скоростью, равной нулю. На самом деле электроны, испускаемые термокатодом, имеют различную начальную скорость (разброс по скоростям). Кроме того, неизбежны некоторая асимметрия электродов (анода и катода), нарушение их соосности с магнитным полем и т.д. Все эти причины приводят к тому, что резких сбросовых характеристик не получается, и они принимают вид гладких кривых (рис.4, б).