Лабораторная работа 2

Определение удельного заряда электрона с помощью магнетрона

Цель работы: изучение сбросовых характеристик магнетрона и определение удельного заряда электрона.

Материалы и оборудование:

1. Магнетрон.

2. Универсальный источник питания ВУП-2.

3. Потенциометр в цепи анода (=1000 Ом).

4. Микроамперметр в цепи анода.

5. Миллиамперметр в цепи соленоида.

6. Вольтметр в анодной цепи.

Теоретические сведения

«Метод магнетрона», используемый для определения удельного заряда электрона , основан на действии магнитного поля на электроны, движущиеся со скоростью перпендикулярно линиям индукции . На каждый электрон действует сила Лоренца

. (2.1)

В этом случае сила Лоренца является центростремительной силой. Увеличивая индукцию магнитного поля, можно добиться того, что отклонение движущегося электрона будет максимально. Этот принцип положен в основу работы магнетрона. Магнетрон представляет собой вакуумный диод, на который надет соленоид. Продольная ось соленоида совпадает с нитью накала диода. Напряжение , приложенное между катодом и анодом, создает радиальное электрическое поле, в котором скорость электрона равна

. (2.2)

При некотором значении магнитной индукции электроны под действием силы Лоренца будут циркулировать по замкнутой круговой траектории на участке катод-анод с радиусом кривизны , где − расстояние между катодом и анодом. В этом случае анодный ток станет минимальным.

Для определения необходимо установить критическое значение индукции магнитного поля , при котором происходит сброс анодного тока, с другой стороны критическая магнитная индукция на оси соленоида связана с силой тока следующим образом:

, (2.3)

где - магнитная постоянная, имеющая величину

,

− критический ток соленоида,

= 6500 витков − число витков,

= 0,05 м − средний диаметр,

= 0,13 м − длина соленоида,

= 0,004 м.

Расчетная формула для определения удельного заряда электрона имеет вид

. (2.4)

Ход работы

1. Собрать анодную цепь и цепь накала (рисунок 2.1), а затем цепь соленоида (рисунок 2.2). Для питания анодной цепи, цепи накала и цепи соленоида используется универсальный источник питания ВУП-2. В цепь анода и соленоида подается напряжение не более 100 вольт. В цепь накала − 6,3 вольт. С помощью потенциометра нужно установить минимальное напряжение в цепи анода.

2. После проверки схемы включить ВУП-2 и дать 10 минут прогреться.

Рисунок 2.1 − Анодная цепь Рисунок 2.2 − Цепь соленоида

3. После проверки схемы включить ВУП-2 и дать 10 минут прогреться.

4. С помощью потенциометра в цепи анода установить требуемое начальное напряжение (анодное напряжение задает преподаватель). Записать величину анодного тока . При этом в цепи соленоида должно быть установлено нулевое значение силы тока с помощью ручки-регулятора источника питания.

5. Постепенно увеличивая ток через соленоид, вращая ручку-регулятор источника питания, наблюдать за изменением анодного тока и анодного напряжения. Результаты наблюдений записать в подготовленную рабочую таблицу. Необходимо делать отсчеты через 1-2 деления шкалы миллиамперметра в цепи соленоида до тех пор, пока ток в анодной цепи не станет минимальным.

6. По значениям анодного тока и тока соленоида построить сбросовую характеристику магнетрона .

7. Аналогично получить данные для построения сбросовых характеристик магнетрона для двух других начальных значений анодного напряжения.

8. Для определения критического значения индукции магнитного поля необходимо построить график зависимости изменений силы анодного тока от силы тока соленоида:

.

Здесь − положительная величина, характеризующая уменьшение силы анодного тока,

− некоторое предыдущее значение сила анодного тока,

− последующее значение силы анодного тока,

− средняя сила тока соленоида, соответствующая интервалу между и .

9. Экстремальная точка на кривой характеризует критическое значение тока соленоида. Определив его из графика, по формуле (2.3) рассчитать критическое значение индукции.

10. По формуле (2.4) вычислить удельный заряд электрона для трех сбросовых характеристик. При этом в формулу (2.4) необходимо подставлять анодное напряжение , соответствующее критическому току соленоида.

11. Произвести математическую обработку результатов по определению .

12. Сравнить полученные результаты с табличными данными и сделать вывод.

Таблица 2.1 − Определение критического значения магнитной индукции

, В	, А	, А	, А	, А	, Тл	, Кл/кг

Контрольные вопросы

1. Устройство и принцип работы магнетрона.

2. Движение заряженных частиц в однородном электрическом поле.

3. Движение заряженных частиц в магнитном поле. Сила Лоренца.

Вывод формулы для удельного заряда и напряженности (или индукции) магнитного поля соленоида