Головна

Опис лабораторної установки

  1. I. 10. Опишіть принципову схему установки і хід виконання лабораторної роботи.
  2. I. 10. Що таке резонанс? Поясніть явище акустичного резонансу в лабораторній роботі.
  3. I. 9. Опишіть пристрій лабораторної установки по визначенню швидкості звуку методом резонансу.
  4. I. ОПИС НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ
  5. II. 11. Наведіть принципову схему установки і поясніть, як в лабораторній роботі визначали чутливість осцилографа.
  6. II. 7. Поясніть метод визначення довжини світлової хвилі в лабораторній роботі.
  7. III. Повний опис електронного реcурса.

 Принципова схема установки наведена на рис. 5.1. Основні елементи знаходяться в лабораторному модулі. Джерелами ЕРС служать два джерела стабілізованого живлення - ІП1 з ЕРС E1 і ІП2 з ЕРС E2 типу "Марс", що підключаються до модуля. Величину ЕРС показують стрілочні вольтметри, розташовані на лицьових панелях джерел. За допомогою джерела E2 створюється різниця потенціалів між катодом і анодом, а джерело E1 необхідний для збудження струму в соленоїді, що створює магнітне поле.

На передній панелі модуля (рис. 5.2) є зображення схеми лабораторної роботи, а також розташовані гнізда "PA1"І"РА2"Для підключення амперметрів, в якості яких використовуються мультиметри. Об'єктом дослідження служить магнетрон: соленоїд, усередині якого розташована електронна лампа - вакуумний діод з співісними циліндричними електродами.

Теоретичні положення і висновок робочих формул

На заряджену частинку, яка рухається в стаціонарних електричних-ком і магнітному полях, діє сила  , Що дорівнює векторній сумі сил, що діють з боку магнітного поля  (Сила Лоренца) і зі сто-ку електричного поля  (Кулоновская сила).

Розглянемо рух частинки в електричному і магнітному полях. В електричному полі на заряджену частинку діє кулоновская сила

,

де q - Заряд частинки;  - Напруженість електричного поля. Спочатку спокою позитивна частинка буде рухатися в електричному полі уздовж лінії напруженості у напрямку вектора  , А негативна - в протилежному напрямку.

На рухому в магнітному полі заряджену частинку діє сила Лоренца

,

де - Вектор магнітної індукції.

Напрямок сили Лоренца визначається за правилом лівої руки. В однорідному магнітному полі заряджена частка рухається в загальному випадку по спіралі або по колу (в тому випадку, коли вектор швидкості перпендикулярний вектору магнітної індукції). На рис. 5.3 зображена траєкторія руху електрона в разі, коли .

При наявності магнітного і електричного полів рух частинки носить складний характер. У тому випадку, якщо електричне та магнітне поля взаємно перпендикулярні, то траєкторія частки лежить в площині, перпендикулярній до ліній магнітної індукції (якщо початкова швидкість частинки дорівнювала нулю або ж вектор початкової швидкості лежав в тій же площині).

 Такий рух здійснюється в магнетронах. Електричне поле в магнетроні є радіальним, т. Е. Вектор напруженості  спрямований по радіусу, а його величина обернено пропорційна радіусу  . Магнітне поле створюється довгою котушкою (соленоидом). Електронна лампа розташовується всередині соленоїда так, що його вісь збігається з віссю симетрії лампи. Конфігурація електричного і магнітного полів в магнетроні представлена ??на рис. 5.4.

 При включенні напруження катода і анодного напруги електрони, що виходять з катода в результаті термоелектронної емісії, рухаються до анода під дією кулонівської сили. При підключенні соленоїда до джерела струму в ньому виникає магнітне поле. Так як магнітне поле впливає тільки на напрямок швидкості руху частинки, то траєкторія електрона буде являти собою криву. На рис. 5.5 показаний приблизний вигляд траєкторії електрона при різних значеннях магнітної індукції. Траєкторія 1 являє собою пряму лінію при відсутності магнітного поля (В = 0). При збільшенні магнітної індукції (криві 2,3,4) радіус кривизни траєкторії зменшується, і при значенні магнітної індукції Вкрелектрон підлітає до анода по дотичній.

 Якщо значення магнітної індукції буде перевищувати Вкр, То електрон не потрапить на анод і буде дрейфувати всередині лампи (рис. 5.6). Анодний струм в ланцюзі лампи в цьому випадку буде дорівнює нулю. Залежність анодного струму від магнітної індукції приведена на рис. 5.7. Штрихова лінія відповідає умовам, коли початкова швидкість електронів дорівнює нулю (u0= 0). В цьому випадку при B > Bкр всі електрони поверталися б до катода, не досягнувши анода. анодний струм Iа при цьому зникав би швидко, як це показано на рис. 5.7 штриховий лінією.

 Насправді електрони, що випускаються розжареним катодом, мають відмінні від нуля початкові теплові швидкості. Критичні умови при цьому досягаються для різних електронів при різних значеннях B, Тому анодний струм зникає не відразу і реальна залежність Iа= f(В) Має вигляд, зображений суцільною лінією на рис. 5.7.

У міру віддалення електрона від катода його швидкість буде зростати (за рахунок дії кулоновской сили) і радіус кривизни траєкторії збільшується. При значенні магнітної індукції, що дорівнює Вкр, Радіус кривизни траєкторії буде дорівнює радіусу анода Rа, А швидкість електрона поблизу анода буде направлена ??перпендикулярно його радіусу. Використовуючи цю обставину, а також закони збереження енергії і моменту імпульсу, отримаємо вираз для визначення питомої заряду електрона.

При виведенні рівняння, скористаємося циліндричної системою координат: стан електрона характеризується відстанню від осі r, Полярним кутом q і зміщенням вздовж осі z (Рис. 5.8).

Якщо радіус анода Rа багато менше його довжини, то напруженість електричного поля в центрі циліндра має тільки радіальну компоненту. Сила, що діє на електрон, в такому полі спрямована уздовж радіуса і дорівнює

 , (5.1)

 де e - Заряд електрона; Er - Напруженість електричного поля.

Рух електрона в циліндричній системі координат (рис. 5.9) можна представити у вигляді суми поступального руху вздовж осі z зі швидкістю  (Аксіальна складова) і вздовж радіуса r зі швидкістю  (Радіальна складова), а також обертального руху навколо осі z з кутовою швидкістю  . Тангенціальна складова швидкості  направлена ??по колу радіусом r з центром, лежачим на осі z, Її модуль може бути обчислений як uq = wr. вектори , и  взаємно перпендикулярні.

 
 

 Використовуючи складові вектора швидкості і правило лівої руки, можна розкласти вектор сили Лоренца також на три взаємно перпендикулярні складові и .

Оскільки магнітне поле направлено вздовж осі z, Проекція сили Лоренца на цю вісь  дорівнює нулю. Беручи вказане на рис. 5.9 напрямок векторів и  за позитивне, одержуємо наступні вирази для двох інших складових:

 (5.2)

де ur і uq - Відповідні складові швидкості електрона.

Рух електрона в площині П, перпендикулярній осі z, Можна описувати за допомогою рівняння динаміки обертального руху щодо осі z

 , (5.3)

де Lz - Момент імпульсу електрона щодо осі z; Mz - Проекція моменту сил, що діють на електрон, на вісь z.

За визначенням

 , (5.4)

де m - Маса електрона.

моменти сил и  щодо осі z дорівнюють нулю, отже,

Mz = = erB . (5.5)

З урахуванням рівнянь (5.2), (5.4), (5.5) рівняння (5.3) набуває вигляду

 . (5.6)

Інтегруючи рівняння (5.6) і беручи до уваги знак заряду електрона, одержуємо

 , (5.7)

де С - Постійна інтегрування, яку можна знайти з початкових умов.

Якщо прийняти, що Rа >> Rк (Rк - Радіус катода), Rк »0 і початкова швидкість електрона дорівнює нулю, то можна вважати, що С = 0. Таким чином, рівняння (5.7) набуває вигляду

 . (5.8)

При переміщенні електрона від катода з потенціалом jк до точки з потенціалом j електричне поле здійснює роботу

Аел = e(jк - J).

Робота магнітного поля дорівнює нулю, так як рух електрона відбувається в площині, перпендикулярній лініям магнітної індукції. Кінетична енергія електрона зростає за рахунок роботи електричного поля, отже, якщо знехтувати початкової кінетичної енергією електрона, то з урахуванням (5.8)

 . (5.9)

Рівняння (5.9) характеризує рух електрона в просторі між циліндричними коаксіальними електродами.

величину Bкр можна визначити з рівняння (5.9), взявши до уваги, що в цьому випадку радіальна складова швидкості електрона при r = Rа звертається в нуль (  ):

 , (5.10)

де U - Різниця потенціалів між катодом і анодом.

З іншого боку, критичне значення магнітної індукції можна визначити, знаючи струм в соленоїді I0, При якому анодний струм стає рівним нулю:

Bкр = m0nI0, (5.11)

де n - Число витків на одиницю довжини соленоїда.

Прирівнюючи праві частини (5.10) і (5.11), отримуємо формулу для визначення e/m:

 . (5.12)

. величину струму I0 визначимо із залежності Iа = f(Ic) (Рис. 5.10), графік якої аналогічний графіку Iа = f(В) (Рис. 5.6), оскільки B ~ Iа. Обчислити критичне значення I0 можна через значення анодного струму, що дорівнює половині максимального Ia max.



Визначення магнітної індукції на осі короткої котушки | вакуумного діода

Лабораторна робота № 4. | Таріровка індукційного датчика | Визначення магнітної індукції на осі соленоїда | визначення питомої заряду електрона |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати