- 4 -

рости электронов изменяется.

при разных токах накала получается семейство характерис-

тик, несколько различных даже при низких анодных напряжениях {рис.1).Это связано с тем.что при из­менении температуры ка­тода контактная разность потенциалов между катодом и анодом и начальные ско-

Чтобы уменьшить влияние выше перечисленных факторов на точность результатов определения величины (Не-

обходимо производить измерения при небольших токах накала и при анодных напряжениях в 20-40 в.

Порядок вылднения упражнения. 1. Собрать цепь по схеме рис.2.

- б -

напряжения на аноде \^ (в пределах от 0 до 80 в). 4. По данным измерений построить графики зависимости

5. Из второго графика^ределить угло«ой коэффициенг по­лученной прямой /5= " у 4fe и по нему расчитать величину

удельного заряда электрона, 0 г • о

^{Из уравнения U) К> -у • £д \] -ft ,v.k.J>~1}

Отсюда _е у. у* I

Данные вакуумного диода 2Ц2С: площадь поверности анода -5,37 см^; Расстояние между анодом и катодом ^ -0,86 см. При определении углового козфф'циеьта^"необходимо силу тока брать в амперах,а напряжение в вольтах.Величину удельного заряда электрона можно рассчитать и по формуле 12), зная ^и ^Jcl по результатам опыта.

4. По полученным данным найти среднее значение изменения напряжения < U > = < \U_K - U_H\> и абсолютную погрешность A <U >.

5. Вычислить по формуле (6.10.1) значения < В_в >, < В_г > и их абсолютные погрешности. Вычислить значение полной индукции магнитного поля Bq и абсолютную погрешность д < В₀ >.

6. Оценить наклонение вектора индукции магнитного поля Земли к горизонту.

Контрольные вопросы

1. Зарисовать приближенный ход линий магнитного поля Земли и

— г

направление векторов В в Северном и Южном полушариях Земли.

2. Какое значение для обитателей Земли имеет существование её магнитного поля?

3. В каком месте Земли магнитное поле наиболее сильное?

4. Чем полезно применение операционного усилителя в лабораторной / установке?

6.10. Исследование магнитного поля Земли

Цель работы:

измерение параметров магнитного поля Земли.

Приборы и принадлежности:

катушка индуктивности, измерительный операционный усилитель-инте­гратор.

Теоретическое введение

Магнитное поле Земли подобно полю однородно намагниченного шара. Северный магнитный полюс находится в Южном полушарии Земли, а южный — в Северном. Магнитная ось наклонена относительно географической на 11° и смещена на 1140 км в сторону Тихого океана. Магнитные полюса и ось со временем изменяют свое положение.

Линии магнитного поля выходят приблизительно из центра Земли через Южное полушарие и, обогнув Землю возвращаются к ее центру через Северное полушарие.; Компоненты магнитного поля Земли на поверхности планеты меняются в следующих пределах:

— полный вектор индукции магнитного поля Bg— от 62 до 73 мкТл,

— горизонтальная составляющая В_г — от 0 до 41 мкТл

В действительности поле Земли имеет более сложную конфигурацию, чем поле однородно намагниченного шара. Добавляются поля неоднородных материковых плит, магнитных аномалий верхней части земной коры, внеземные магнитные поля. Например, в районе Курской магнитной аномалии поле В₀ достигает 200 мкТл. На постоянное поле'Во накладываются также более слабые (< 0,02 Bq) переменные поля различной природы.

Достаточно разработанной количественной теории геомагнитного поля в настоящее время не существует. Предполагается, что главным источником поля являются вихревые/ электрические токи в раскаленном жидком ядре Земли. Наиболее вероятной причиной возникновения этих токов считаются конвективные движения электропроводящего вещества в ядре нашей планеты.

Экспериментальная установка

В электрической схеме установки для измерения индукции магнитного поля Земли используется операционный усилитель. Это усилитель постоянного тока с большим (10³ и более) коэффициентом

j усиления, который в схемах с обратной связью может выполнять ^математические операции с напряжением, подаваемым на его вход (сложение, умножение, интегрирование, нелинейные преобразования и пр.). Современные операционные усилители выполняют в виде интегральной схемы, содержащей транзисторы, диоды, резисторы и конденсаторы в одном кристалле. Многосторонние функциональные возможности операционных усилителей сделали их основным узлом в различных устройствах электроники, измерительной техники, автоматики.

— скорость изменения

Схема электрической цепи лабораторной установки для измерения магнитного поля Земли представлена на рис 6.10.1. Установка состоит из катушки индуктивности L и измерительного -операционного усилителя ОУ-интегратора типа К284УД1. Катушка L выполнена в виде кольца и закреплена в специальном держателе, который позволяет поворачивать катушку на 180° вокруг ее горизонтальной и вертикальной осей. В крайних положениях плоскость катушки должна быть ориентирована/перпендикулярно плоскости магнитного меридиана. Измерение вертикальной В, и горизонтальной В_г составляющих магнитного поля Земли происходит при повороте катушки на 180^е вокруг горизонтальной и вертикальной осей соответственно. *

При повороте катушки в ней возникает ЭДС индукции ^, вызывающая ток ^J.^

где N — число витков катушки;

магнитного потока земного поля; R — сопротивление замкнутой цепи, в которую включена катушка L. За время поворота катушки t (оно

должно быть много больше характерного времени L/R переходного процесса в ней) на конденсаторе С цепи обратной связи накапливается заряд

Это вызовет изменение выходного напряжения усилителя где ДФ = Ф₂ - Ф1 — разность магнитных потоков, охваченных витками катушки в ее начальном и конечном положениях. Эти положения отличаются противоположной ориентацией витков катушки относительно поля Поэтому ДФ = 2В< S >, где <S> — средняя площадь витков катушки. Следовательно,

^откуда

В работе используются элементы цепи с параметрами: входное^

конденсатора обратной

связи С = 2 мкФ; число витков катушки индуктивности N = 12б0; средний диаметр витков катушки равен 39 см.

Методика и техника эксперимента

4. Собрать и включить измерительную схему установки.

5. Измерить вертикальную составляющую магнитного поля Земли Сориентировать катушку так, чтобы ее плоскость находилась

в горизонтальном положении. Нажатием кнопки К разрядить конденсатор и записать знак и значение напряжения на выходе операционного усилителя — начальное напряжение U_№ Повернуть катушку

на 180^е вокруг горизонтальной оси и записать (с учетом знака) выходное напряжение усилителя — конечное напряжение U_r

Разрядить конденсатор, записать напряжение, повернуть катушку в исходное положение и записать конечное напряжение Наблюдения провести не менее 10 раз

3. Измерить горизонтальную составляющую магнитного поля Земли, для чего установить плоскость катушки вертикально, поворачивать катушку на 180° вокруг вертикальной оси, записывать начальные и конечные напряжения. Наблюдения провести не менее 10 раз.

Контрольные вопросы:

4. Какими причинами обусловлена работа выхода электрона из металла?

5. Каково условие вылета электрона из металла?

6. Какой вид имеют ВАХ вакуумного диода при различных температурах катода?

7. Как распределяется потенциал в промежутке между катодом и анодом при

наличии пространственного заряда?

4. Какова зависимость анодного тока диода от потенциала анода?

5. В чём состоит сущность термоэлектронной эмиссии?

6. Что называется вторичной электронной эмиссией?

Как она возникает? Где используется?

8. Что представляет собой автоэлектронная эмиссия?

Лечатается по решению учебно-методич«са«лга> Сйаета^

Ответственный за выпуск заведуюции кафедрой экспери­ментальной физики доцент Болотов А.А.

Лабораторная работа подготовлена старшим преподавателе!/ кафедры экспериментальной физики Курзаевьм И.И.

Тираж 50 экз. Заказ) 173

Ротапринт Тюменского государственного университета

ОПРВДШНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА. ЭЛЕКТРОНА.

Определение удельного заряда электрона с помощью Мхууиьсго диада. Принадлежности; 1. Вакуумный дмдц 2Ц2С

4. Источим* оитения буп

5. Мия «амперметр 0-1бма 4» Вольтметр о-150в

5. Амперметр 0 - 1 - 2 а

6. Реостат

Опыт показывает,что сила тока В двухэлект^одной электрон- ной лампе (диоде) зависит от температуры катода и от раз- ности потенциалов между хатод^ . и анодом. Ори постоянной температуре катода сила анодного тока возрастает о уведи- чеьием разноси потенциалов >_а 7_Л между электрода- ми. Однако зависимость между силой тока «7д и разностью потенциалов не выражается законом 0иа,а носит бо-

лее сложный характер и подчиняется г.акону БОГУСЛАВСКОГ0-ЛЭНГШСРА.Объясняется это тем,что в вакуумной электронной лампе электрическое поле,действующее на каждый электрон, складывается из внешнего поля,создаваемого разностью по­тенциалов между электродами,и поля,создаваемого всеми ос­тальными электронами,образующими пространственный заряд. Благодаря пространственному заряду при малых анодных на­пряжениях анодный ток может быть значительно меньше воз­можного тока эмиссии катода и постепенно увеличивается при нов; лении анодного напряжения. Применительно к диоду с плоскопараллельными электродами вольт-амперная характеристика описывается формулой:

7

^V€L *> величина анодного тока 1в А),

8₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума,численно

равная 8,85« 10" ^U % , 3 - площадь электрода {в М²),

- расстояние между электродами <в м), ~ - удельный заряд электрона (в j§r-), ^£ - анодное напряжение (в 8).

Применительно к диоду о цилиндрическими электродами фор­мула Богуславского-Лэнгмюра имеет вид:

,где 12)

- площадь анода (в м²),

~ расстояние между анодом и катодом св м) ^ - численный коэффициент.зависящий от отношения *~t

^{при %i*io,J***}

Теоретическое рассмотрение вопроса о зависимости анодно­го тока от величины анодного напряжения в вакуумном дио­де (получение формул 1 и 2) было проведено при следую­щих допущениях: