3_ELEKTRIKA_I_MAGNETIZM / Лабораторна робота 216-V

Лабораторна робота №216

ВИЗНАЧЕННЯ ВІДНОШЕННЯ ЗАРЯДУ ЕЛЕКТРОНА ДО МАСИ

МЕТОДОМ МАГНЕТРОНА

Мета роботи: ознайомитись з принципом роботи магнетрона та визначити відношення заряду електрона до його маси.

Прилади: 1.Касета ФПЕ-03, яка містить електронну лампу 6Ф6С (радіус ано-

да 1 мм); соленоїд довжиною l = 167мм і діаметром 85 мм, число витків соленоїда N = 2700;

2. Джерело живлення лампи: напруга накалу 2,5 - 4,5 В, анодна напруга

12 - 120 В;

3. Джерело живлення соленоїда 0 - 24В.

Теоретичні відомості

Магнетрон - вакуумна електронна лампа, в якій величина анодного струму регулюється одночасно електричним та магнітним полями. Магнетроном може бути електронна лампа з циліндричним анодом та прямолінійним катодом, розміщеним по осі анода.. Лампа розміщується в магнітному полі, індукція якого напрямлена вздовж осі анода (рис 1).

Рис. 1

Якщо індукція поля В = 0, то електрони рухаються, в основному, вздовж радіуса анода від катода до анода під дією електричного поля. Напруженість електричного поля напрямлена від анода до катода (рис. 2а). При наявності магнітного поля на електрони буде діяти сила Лоренцо

(1)

де - кут між векторами і

- радіальна складова швидкості електронів.

Сила Лоренца змінює тільки напрямок швидкості електронів, тому що вона напрямлена перпендикулярно швидкості (рис. 2б).

Рис. 2

Тому траєкторії електронів являють собою дуги кіл, що лежать в площинах, перпендикулярних індукції магнітного поля. Запишемо другий закон Ньютона для руху електрона в магнітному полі:

(2)

Визначимо радіус кола траєкторії електрона:

При зростанні індукції магнітного поля В радіус кривизни r зменшується. Якщо виконується умова

де R_А - радіус анода, R_к - радіус катода, то діаметр траєкторії стає меншим віддалі між катодом та анодом. Електрони при цьому не досягають поверхні анода. Вони повертаються до катода (рис. 2в). При цьому спостерігається зменшення сили анодного струму. Звичайно радіус катода набагато менший радіуса анода:

тому і зменшення анодного струму спостерігається при індукції магнітного поля, яка називається критичною:

(4)

Швидкість електронів можна обчислити за анодною напругою . Потенціальна енергія електронів в електричному полі анодної напруги перетворюється в кінетичну енергію електрона:

(5)

звідси

(6)

З рівнянь (4) і (6) визначаємо е/m:

(7)

Індукцію магнітного поля, що створюється струмом в обмотці соленоїда, обчислимо за формулою для скінченного соленоїда:

Рис. 3

(8)

= Гн/м - магнітна постійна, І_с - сила струму соленоїда, N - число витків обмотки соленоїда, l - довжина соленоїда, - кути між радіусом-вектором точки розрахунку і напрямком твірної соленоїда. Ця формула виведена за законом Біо-Савара-Лапласа. Для центра соленоїда, де знаходиться електронна лампа:

(9)

- діаметр соленоїда.

Установка для визначення (е/m) складається з двох електричних кіл: кола електричної лампи (рис.4) і кола соленоїда (рис. 5).

Рис. 4

Коло електричної лампи містить: джерело анодної напруги ; змінного опору R_А для встановлення анодної напруги; вольтметра V_А для вимірювання анодної напруги; міліамперметра для вимірю­вання анодного струму; джерела напруги нагріву катода лампи U_К; опору для встановлення напруги нагріву і вольтметра V_к для його вимірювання.

Рис. 5

Електронна лампа поміщена в середину соленоїда. Постійний електричний струм в обмотці соленоїда створює в ньому магнітне поле. Магнітна індукція цього поля повинна бути напрямлена вздовж катода лампи (рис.5). Сила струму в соленоїді від джерела напруги U_c регулюється змінним опором R_с і вимірюється амперметром А_с .

Послідовність виконання роботи

1. Провести зовнішній огляд установки. Соленоїд з електронною лампою знаходиться в касеті ФПЕ-03. В роботі використовується лампа 6Ф6С. Радіус анода лампи R_А = 1 мм.

2. Перевірити, щоб реостати R_А і R_к були встановлені на мінімальні анодну та катодну напруги.

3. З дозволу викладача увімкнути живлення установки, натиснути на праву кнопку блока живлення.

4. Встановити регулятором “U_A” анодну напругу, вказану на робочому місці. Прогріти лампу 7 - 10 хв.

5. Регулятором "I_с" встано­вити силу струму в соленоїді, записати його значення і відповідне значення сили анодного струму. Вимірю­вання виконувати через 0,2 А сили струму соленоїда.

6. Зміна сили анодного струму більш чутлива до дії магнітного поля, тому намалювати графік І_А = f(I_с), де І_А - зміна анодного струму при зміні сили струму в соленоїді . Критичному значенню сили струму соленоїда відповідає початок спаду анодного струму.

7.За формулою (8) обчислити значення В_кр для Iс,кр; l= 0,167 м, d= 0,085 м, N=2700 витків.

8.За формулою (7)обчислити відношення (е/m)в одиницях СІ; а за формулою (6) визначити швидкість електронів у лампі.

9.Перевірити одержане значення відношення (е/m) з табличним значенням.

Питання

1. Перерахувати властивості електричних зарядів.

2. Записати II закон Ньютона для руху електрона в магнітному полі.

3. Пояснити принцип роботи магнетрона.

4. Що таке критична індукція для магнетрона?

5. Який вплив на залежність І_А = f(В) створює розподіл електронів за швидкостями?