6.По результатам табл. 6.2 постройте вольт-амперную характеристику вакуумного диода.

7.Постройте график зависимости силы тока от напряжения в степени 3/2. В области действия закона Богуславского – Ленгмюра данная зависимость должна быть линейной.

8.По графику зависимости IА от UА3/2 определите тангенс

угла наклона полученной прямой к оси абсцисс и, используя формулу (6.13), рассчитайте величину удельного заряда электрона. Полученный результат сравните с табличным значением.

Контрольные вопросы и задания

1.Объясните устройство вакуумного диода.

2.Дайте определение электронной эмиссии. Какие существуют разновидности эмиссионных явлений?

3.Какое явление исследуется в данной работе?

4.Что называется работой выхода электрона и чем она обусловлена? От чего она зависит?

5.Нарисуйте электрическую схему установки. Объясните принцип работы вакуумного диода.

6.Что такое вольт-амперная характеристика?

7.Объясните вид вольт-амперной характеристики для вакуумного диода.

8.Что такое запирающее напряжение?

9.Сформулируйте и запишите закон Богуславского – Ленгмюра? При каких условиях он справедлив?

10.От чего зависит коэффициент пропорциональности B

взаконе Богуславского – Ленгмюра?

11.Что такое ток насыщения?

12.Как ток насыщения зависит от температуры катода?

13.Почему при больших анодных напряжениях наступает насыщение анодного тока?

101

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Основная литература

1. Трофимова, Т.И. Курс физики : учебное пособие для вузов. – 13-е изд., стер. / Т.И. Трофимова. – М. : Издательский центр «Академия», 2007. – 560 с.

Дополнительная литература

1. Детлаф, А.А. Курс физики : В 3 т. Т. 2 / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский, Л.Б. Милковская. – М. : Высшая школа, 1977. –375 с.

2. Савельев, И.В. Курс общей физики : В 3 т. Т. 2 / И.В. Савельев. – М. : Наука, 1979. – 431 с.

3.Сивухин, Д.В. Общий курс физики : В 5 т. Т. 3 / Д.В. Сивухин. – М. : Физматлит; Изд-во МФТИ, 2004. – 656 с.

4.Калашников, С.Г. Электричество : учебн. пособие. – 6-е изд, стереот. / С.Г. Калашников. – М. : Физматлит, 2003. – 624 с.

102

Лабораторная работа № 7

ОПРЕДЕЛЕНИЕГОРИЗОНТАЛЬНОЙСОСТАВЛЯЮЩЕЙ НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Определить горизонтальную составляющую напряженности магнитного поля Земли.

2. ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

Тангенс-буссоль, источник тока, позволяющий регулировать и изменять величину тока в тангенс-буссоли.

3.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3.1.Магнитное поле Земли

Оспособности намагниченных предметов располагаться

вопределённом направлении было известно ещё китайцам несколько тысячелетий назад. Впервые предположение о наличии магнитного поля Земли, которое вызывает такое поведение намагниченных тел, высказал английский врач и натурфилософ Уильям Гильберт в 1600 г. в своей книге «De Magnete». Наблюдения английского астронома Генри Геллибранда показали, что геомагнитное поле не постоянно, а медленно изменяется. Карл Гаусс выдвинул теорию о происхождении магнитного поля Земли и в 1839 г. доказал, что основная его часть выходит из Земли, а причину небольших, коротких отклонений его значений необходимо искать во внешней среде.

Земля представляет собой естественный магнит, полюса которого располагаются на небольшом расстоянии (~ 800 км) от географических полюсов. Магнитный полюс Земли, который расположен около Северного полюса, называется Южным магнитным полюсом. В настоящее время он расположен недалеко от северного географического полюса Земли в Северной Гренландии. Его

104

координаты j = (78,6° + 0,04° Т) с. ш., l = (70,1° + 0,07° T) з. д.,

где Т – число десятилетий от 1970 г. На Юге – Северный магнитный полюс. Его координаты: j = 75° ю. ш., l = 120,4° в. д. (в Антарктиде). Через магнитные полюса Земли можно провести линии больших кругов – магнитные меридианы; перпендикулярно к ним – линию большого круга – магнитный экватор. Параллельно последнему проводят линии малых кругов – магнитные параллели. Таким образом, каждой точке поверхности Земли соответствуют не только географические координаты, но и магнитные координаты.

Магнитное поле Земли подвержено годовым, суточным, вековым и т. п. колебаниям. Кроме того, наблюдаются кратковременные нерегулярные отклонения, связанные с магнитными бурями, появление которых связано с деятельностью Солнца, в частности, с числом солнечных «пятен».

Измерение напряженности магнитного поля Земли имеет большое значение в навигации, при разведке магнитных пород. По последним гипотезам поле Земли связано с токами, циркулирующими по поверхности ядра Земли, а отчасти с намагниченностью горных пород и с токами в радиационных поясах.

Если в данной точке Земли магнитную стрелку подвесить так, чтобы точка подвеса стрелки совпадала с её центром масс, то она будет свободно поворачиваться в горизонтальной и в вертикальной плоскостях и установится вдоль направления силовой линии магнитного поля Земли (рис. 7.1). В общем случае, вектор напряженности магнитного поля Земли в данной точке направлен под некоторым углом к поверхности Земли, т. е. имеет горизонтальную и вертикальную составляющие. Лишь на магнитных полюсах силовые линии этого поля вертикальны, а на экваторе – горизонтальны.

Поскольку вектор напряженности проводится по касательной к силовым линиям, на экваторе вектор напряженности магнитного поля Земли направлен горизонтально по отношению к поверхности Земли (это точки А, рис. 7.1).

105

Основной частью прибора является круговой проводник (кольцо) большого радиуса, состоящий из одного или нескольких витков. В центре кольца помещается магнитная стрелка, которая может свободно вращаться в горизонтальной плоскости. Как правило, вместо магнитной стрелки помещают в центр кольца

компас. Стрелка компаса под действием горизонтальной составляющей магнитного поля Земли устанавливается в плоскости магнитного меридиана. При пропускании по кольцу электрического тока создаётся магнитное поле HI, величина магнитной индукции которого может быть рассчитана по закону Био – Савара – Лапласа. Стрелка компаса установится по направлению равнодействующей обоих магнитных полей (принцип суперпозиции магнитных полей).

Вектор магнитной индукции (или напряженности магнитного поля), создаваемый несколькими токами в произвольной точке, равен векторной (геометрической) сумме векторов магнитных индукций (или напряженностей) магнитных полей, созданных каждым током в отдельности.

3.2. Закон Био – Савара – Лапласа

Пусть по проводнику произвольной формы протекает электрический ток I, создающий в окружающем пространстве

магнитное поле. Выделим на проводнике элемент тока I dl .

107

Элемент тока – вектор, направление которого совпадает с направлением тока, а величина (модуль) равна произведению значения силы тока на длину бесконечно малого

элемента проводника dl .

Этот элемент тока создает в некоторой точке А (рис. 7.3) магнитное поле, индукция dB которого в соответствии с зако-

ном Био – Савара – Лапласа может быть представлена в виде: dB 0 I dl 3 r , (7.1)

4 r

где 0 – магнитная постоянная; – магнитная проницаемость среды; r – радиус-вектор, соединяющий элемент тока I dl с рассматриваемой точкой А.

Вектор магнитной индукции dB перпендикулярен плоскости, в которой лежат векторы dl и r . Направление вектора

dB можно определить по правилу буравчика.

Рукоятку буравчика вращают по кратчайшему пути

справедлив принцип суперпозиции магнитных полей.

108

На основании принципа суперпозиции вектор магнитной индукции (напряженности) в произвольной точке магнитного поля, создаваемого проводником с током I, равен:

элементом тока. Интегрирование ведут по всей длине проводника l.

Расчет характеристик магнитного поля B и H по данным формулам в общем случае довольно сложен. Однако, если распределение токов или проводник имеют определенную симметрию, то применение закона Био – Савара – Лапласа совместно с принципом суперпозиции позволяет просто рассчитать характеристики магнитного поля. Далее приведем расчет магнитной индукции в центре кругового проводника с током.

сложением их модулей. Все элементы проводника перпендикулярны радиусу-вектору,

т. е. α = 90 , sin 1. Расстояния от всех элементов тока проводника до центра кругового витка одинаковы и равны R, длина проводника равна: l = 2πR.

109

Согласно (7.2) dB запишется следующим образом:

В случае когда магнитное поле создается не одним круговым проводником с током, а имеется N витков, то

где N – число витков; R – радиус кольца тангенс-буссоли. Вектор напряженности магнитного поля в центре кругово-

го проводника с током перпендикулярен плоскости витка и связан с направлением электрического тока правилом буравчика.

Рукоятку буравчика необходимо вращать в направлении тока в кольце. Направление поступательного движения буравчика покажет направление вектора напряженности магнитного поля в центре витка.

3.4. Определение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли с помощью тангенс-буссоли

На рис. 7.5 представлено схематическое изображение определения напряженности магнитного поля Земли с помощью тангенс-буссоли.

Стрелка компаса под действием горизонтальной составляющей магнитного поля Земли устанавливается в плоскости

110