лаба 17 электричество

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»

© Издательский центр ДГТУ, 2012

2

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.

ны, то сила Лоренца равна нулю. Заряд при этом условии равномерно движется вдоль линий поля.

Если магнитное поле однородно, а векторы и перпендику-

лярны, то сила Лоренца является центростремительной силой, и траектория движения электрона представляет собой окружность.

Если то траектория движения электрона пред-

ставляет собой винтовую линию [1].

Электронная лампа помещается в однородное магнитное поле, век-

тор магнитной индукции которого направлен вдоль ее оси (рис. 2). 3

Магнитное поле создается достаточно длинным соленоидом. Вектор на-

что электроны покидают катод с нулевой начальной скоростью. Очевид-

но, что при отсутствии магнитного поля электроны, испускае-

мые 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 не-

большое 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

4

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).

5

0 0

Рис. 4. Примерный вид идеальной (а) и реальной (б) сбросовых характеристик магнетрона

Вывод рабочей формулы

Электрическое поле оказывает ускоряющее или тормозящее действие на помещенный в него заряд. Если электрон перемещается от катода к аноду и при этом не испытывает столкновений, то работа поля по перемещению заряда:

где - анодное напряжение. За счет этой работы происходит изменение кинетической энергии электрона:

тогда:

где –заряд электрона, – масса электрона, – начальная и конеч-

ная скорости электрона. Если начальная скорость электрона равна нулю, то можно записать:

6

По последней формуле можно определить скорость электрона при движении от катода к аноду:

Векторы напряженности электрического и индукции магнит-

ного полей взаимно перпендикулярны, следовательно, сила Лоренца сообщает электрону центростремительное (нормальное) ускорение

Траектория движения электрона представляет собой окружность, радиус которой определяется из условия:

Решая совместно уравнения (1) и (2) при , получим, что удельный заряд электрона равен:

.

Радиус окружности электрона при =:

где - расстояние между катодом и анодом. Следовательно:

Зная ток в соленоиде, можно найти критическое значение индукции магнитного поля.

7

5. При помощи реостата увеличивать ток в соленоиде до тех пор, пока не появится изгиб тени на экране электронной лампы, как показано на рис. 6,б.

Рис. 6.

6.Записать значение тока в соленоиде , при котором наблюдается изгиб тени.

7.При данном анодном напряжении опыт повторить три раза.

8.Измерения произвести для трех различных анодных напряжений.

9.Найти среднее значение силы тока.

10.Повторить пункты 4-8 для трех различных анодных

напряжений.

11.По формуле (3) вычислить удельный заряд электрона

для каждого значения .

12. Найти среднее значение удельного заряда электрона

.

13. Вычислить теоретическое значение удельного заряда электрона

14.Вычислить относительную погрешность измерений по

формуле:

15. Результаты вычислений занести в таблицу.

9

Таблица

,

Контрольные вопросы

1.Запишите выражение для силы Лоренца в векторной форме.

2.Как определить направление силы Лоренца?

3.Как будет двигаться заряд в однородном магнитном поле, если вектор скорости и вектор индукции:

а) параллельны, б) перпендикулярны, в) расположены под углом

4.Как зависит радиус кривизны траектории электрона в магнетроне от индукции магнитного поля, если ?

5.Как зависит радиус кривизны траектории электрона в магнетроне от

, если ?

10