Описание эксперимента

Лампа располагается внутри соленоида, приблизительно в центре. Величина магнитного поля задается током через соленоид I_м. Если в соленоиде и в лампе нет ферромагнитных материалов, то зависимость индукции магнитного поля B от тока I_м должна быть линейной. Это позволяет, измерив магнитное поле при некотором фиксированном токе через соленоид, рассчитать магнитное поле при любом другом токе.

Рис. 3. Результаты измерений индукции магнитного поля на оси соленоида при различных токах I_м.

На рис.3 приведены результаты измерений индукции магнитного поля в различных точках на оси соленоида при двух значениях тока I_м. Измерения выполнены специальным датчиком магнитного поля (датчиком Холла). На рисунке отмечено положение лампы в соленоиде. Видно, что лампа помещена в той области, где магнитное поле практически однородное. Это важно, поскольку при выводе формулы (3) такая однородность поля предполагалась. Обратим внимание также на то, что при увеличении тока I_м в 2 раза индукция B также увеличивается во всех точках поля в два раза. Это экспериментально подтверждает вывод о линейной связи B и I_м, о которой говорилось выше.

На рис. 4 приведена электрическая схема установки. Стабилизированный источник питания ИП-1 обеспечивает ток накала. Анодное напряжение U_А задается источником напряжения ИП-2. Это напряжение контролируется вольтметром, подключенным параллельно источнику. Анодный ток измеряется стрелочным миллиамперметром. Еще один источник питания ИП-3 задает ток через соленоид.

Рис. 4. Схема измерительной установки

Рис. 5. Зависимость анодного тока от магнитного поля ("сбросовая характеристика")

Выполнение работы

1. Включите источник питания ИП-2, задающий анодное напряжение U_А. Установите это напряжение в пределах (30…80 ) В.

2. Под наблюдением инженера (!) включите источник ИП-1 и по встроенному в него амперметру установите значение тока накала, указанное на установке, но ни в коем случае не большее, так как это может привести к перегоранию катода (будьте, пожалуйста, внимательны!). Через несколько минут катод прогреется, и анодный ток стабилизируется (перестанет меняться).

3. Включите источник питания соленоида ИП-3. Он должен работать в режиме стабилизации тока (горит лампочка в окошке "ТОК"). Увеличивая ток соленоида I_м, измерьте зависимость анодного тока от тока соленоида в диапазонеI_м = (10…250) мА.. Для каждого измеренного значения I_м по формуле

рассчитайте соответствующее значение индукции магнитного поля B, где B₁ = 4,8 мТл, I₁ = 100 мА (см. рис. 3). Постройте график зависимости от B ("сбросовую характеристику"). Примерный вид этой зависимости приведен на рис. 5. Анодный ток резко уменьшается в некотором диапазоне магнитных полей, но спад тока не происходит скачкообразно при , как это следует из теоретического анализа. Можно указать несколько причин, приводящих к плавному, а не к ступенчатому уменьшению анодного тока. Это краевые эффекты, обусловленные выходом силовых линий электрического поля из внутрианодного пространства через его основания, не строгая коаксиальность катода и анода, неоднородность магнитного поля, недостаточно высокий вакуум в лампе, наличие начальных скоростей у термоэлектронов, неэквипотенциальность катода и т.д. Строго учесть эти эффекты при теоретическом анализе не просто.

4. При экспериментальном определении по сбросовой характеристике можно поступить следующим образом. По графикуI_А (B) определим два значения индукции магнитного поля и, которые ограничивают область резкого уменьшения анодного тока. Примем:

, ,

где - анодный при. Тогда

"Граничные" значения 0,8I₀  и 0,6I₀ взяты весьма условно. Без тщательного анализа причин, приводящих к сглаживанию сбросовой характеристики, более строго определить B_КР не удается.

5. По формуле (3) рассчитайте удельный заряд электрона, оцените погрешность найденного значения e/m . Радиус анода лампы, которая используется в работе, указан на установке.

6. Повторите измерения и расчеты еще для двух-трех значений анодного напряжения U_А.

7. Определите среднее значение удельного заряда электрона и его погрешность.