Хід роботи

Прилади і обладнання: джерела змінного і постійного струму, мілівеберметр М1190, щиток монтажний, трансформатор із вимірювальною котушкою, амперметр (І= 5 А), реостат на 250 Ом, з’єднувальні провідники.

1. Скласти електричне коло за схемою, зображеною на монтажному щитку установки.

2. Стрілку веберметра встановити на нуль. Для цього:

а) встановити перемикач П1 веберметра в положення “Коректор”;

б) перемикач П2 повернути за годинниковою стрілкою до кінця і назад так, щоб стрілка стала на “0”;

в) перемикач П1 встановити в положення “Вимірювання”.

3. Ввімкнути випрямляч змінного струму В-24 М.

4. Перемикач П3 встановити в положення “Розмагнічування”.

5. Регулятором напруги на В-24 М встановити напругу змінного струму 20В.

6. Перемикач П3 встановити в нейтральне положення.

7. Перемикач П1 встановити в положення “Струм намагнічування”.

8. Реостатом довести струм на випрямлячі В-24 М до 0,5 А.

9. Перемикач П2 встановити в положення “Вимірювання”.

10. Перемикач П3 встановити в положення “Намагнічування”.

11. Записати покази веберметра.

12. Вимірювання повторити п’ять разів.

13. Провести вимірювання для струмів 1А; 1,5А; 2А, повторивши пункти 2–12.

14. Результати вимірювань занести до таблиці.

Номер серії дослідів	Номер досліду	І, А	Ф, Вб	В, Тл

15. За формулою (5) визначити значення вектора магнітної індукції для кожного значення сили струму:

,

де Ф – середнє значення магнітного потоку; S – площа витка вимірювальної котушки; N – кількість витків, S=6,210^-4м².

16. Провести статистичне опрацювання результатів досліджень.

17. Побудувати графік залежності B=f(I).

Контрольні запитання

1. Що називається вектором магнітної індукції?

2. Що називається потоком вектора магнітної індукці?

3. Що називається явищем електромагнітної індукції?

4. Чому при зростанні струму намагнічування зростає величина вектора магнітної індукції?

Література: [1, с. 330–332, 362–363; 2, с. 200–206, 240–242; 4, с. 3–18].

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № ЕМ 4

Визначення питомого заряду електрона методом магнетрона

Мета роботи − вивчити рух заряджених частинок в електричному та магнітному полях. Визначити питомий заряд електрона.

Основні теоретичні відомості

Важливими характеристиками будь-якої зарядженої частинки є її заряд та питомий заряд, тобто відношення заряду частинки до її маси (для електрона ).

Існує багато методів визначення питомого заряду електрона. В роботі розглядається метод, в якому використовується двоелектродна лампа з циліндричним анодом, всередині якого вздовж осі циліндра проходить ниткоподібний катод (на рисунках та схемах катод і анод позначаються відповідно літерами к та а). Лампа розміщується всередині достатньо широкої котушки з дроту – соленоїда. Елементи лабораторної установки підключаються за схемою рис. 1.

Нехай лампу підключено до джерела живлення, а соленоїд – ні. Електрони, що вилітають з катода завдяки явищу термоелектронної емісії, прямують до анода (позитивний електрод) під дією електричного поля. Оскільки магнітного поля немає (соленоїд не підключено), то очевидно, що рух електронів буде прямолінійним вздовж радіусів кола, яким є поперечний перетин анода (рис. 2, а)

Підключимо до джерела живлення соленоїд. Всередині соленоїда утвориться магнітне поле. На електрон, що рухається в магнітному полі, діє сила Лоренца. Модуль цієї сили визначається виразом

, (1)

де – швидкість електрона; – індукція магнітного поля.

З рівняння (1) видно, що величина сили Лоренца залежить, зокрема, від кута між векторами і. У нашому випадку векторспрямований паралельно осі лампи, і отже, . Зауважимо, що напрямок сили Лоренца є перпендикулярним до напрямку руху електронів , через що ця сила роботи не виконує. Кінетична енергія електрона, а отже, і абсолютна величина його швидкості залишаються сталими. Водночас сила Лоренца змінює напрямок швидкості, в результаті чого електрони рухаються по криволінійних траекторіях (рис. 2,б).

При збільшенні індукції магнітного поля згідно з рівнянням (1) зростає і сила Лоренца. Це приводить до руху електронів по більш закручених траекторіях, і при певному значенні В_кр ці траекторії стають замкненими всередині лампи (рис. 2, в). Вважаючи, що електрони рухаються по колу радіуса r і враховуючи, що сила Лоренца є доцентровою, можна записати:

, (2)

причому наближено можна прийняти

, (3)

де r_a – радіус анода.

Отже, при певному значенні магнітного поля В_кр електрони, що вилетіли з катода, починають рухатися по замкненій всередині лампи траекторії і не досягають анода. Наслідком цього є те, що струм у лампі припиняється. Значення індукції магнітного поля В_кр, а також відповідне значення сили струму, що проходить через соленоїд І_кр, при яких анодний струм припиняється, називають критичними.

Індукція магнітного поля всередині соленоїда визначається формулою

, (4)

де – сила струму в соленоїді; L – довжина соленоїда; N – кількість витків соленоїда; – магнітна проникність осердя соленоїда; – магнітна стала.

Величину швидкості електрона v можна знайти, зауваживши, що робота сил електричного поля, яке існує всередині лампи, витрачається на збільшення кінетичної енергії руху електронів:

, (5)

де – анодна напруга.

Використовуючи вирази (1–5), отримаємо зрештою робочу формулу для визначення питомого заряду електрона:

. (6)

Отже, лабораторна робота зводиться до встановлення так званої скидної характеристики лампи, тобто до визначення залежності анодного струму від сили струму, що протікає по соленоїду (якому пропорційна магнітна індукція): . Скидна характеристика зображена на рис. 3, де різке спадання анодного струму (пунктирна лінія) відповідає його критичному значенню.

Насправді, оскільки електрони вилітають з катода з різними швидкостями, скидна характеристика має вигляд суцільної лінії на рис. 3. Тому як критичне значення анодного струму для даного типу електронної лампи візьмемо , тобто половину його максимальної величини.