Мета роботи. визначити питому заряд електрона по руху електрона в діоді, вміщеному в магнітному полі.
Устаткування. плата з діодом і котушкою, блок живлення, вольтметр, міліамперметр, амперметр.
Питома заряд - це характеристика елементарних частинок, що дорівнює відношенню заряду до маси. У деяких дослідах вимір одночасно заряду і маси неможливо, але можна визначити питому заряд, величина якого дозволяє встановити частку. Питома заряд електрона можна визначити, наприклад, методом циліндричного магнетрона.
Магнетрон - це електронна лампа, в якій рухом електронів управляє магнітне поле. Магнетрон застосовується в радіотехніці для генерації надвисокочастотних коливань. У роботі в якості магнетрона застосовується електронна лампа - діод 1Ц 11П, який поміщений в магнітне поле котушки зі струмом.
Електрони, що випускаються нагрівається катодом внаслідок явища термоелектронної емісії, рухаються до анода під дією електричного поля. Напруженість електричного поля максимальна у катода, а в іншому просторі електричне поле слабке. Тому електрони розганяються близько катода, а далі рухаються майже з постійною швидкістю в радіальному напрямку до анода. Швидкість електронів V можна визначити за законом збереження енергії. Потенційна енергія електрона в електричному полі при русі від катода до анода перетворюється в кінетичну енергію:
де е, m - заряд і маса електрона; U - різниця потенціалів між катодом і анодом діода.
Якщо включити магнітне поле, спрямоване паралельно осі діода, значить, перпендикулярно вектору швидкості, то на електрони починає діяти сила Лоренца
де B - індукція магнітного поля.
Напрямок сили можна визначити за правилом лівої руки: якщо чотири пальці витягнути по швидкості, а силові лінії входять в долоню, то відігнутий великий палець покаже напрям сили для позитивного заряду. Для негативного електрона - навпаки. Сила Лоренца перпендикулярна вектору швидкості, отже, є доцентровою силою. Тому траєкторія електрона є дугою кола. За другим законом Ньютона добуток маси електрона на доцентрове прискорення дорівнює силі Лоренца: Звідси радіус кривизни траєкторії дорівнює
Як видно, з ростом індукції магнітного поля радіус кривизни дуги зменшується (рис. 1). При деякому значенні індукції магнітного поля, названого критичним Вкр. орбіта електрона перетворюється в коло, яка стосується анода. Радіус критичної орбіти дорівнює половині радіуса анода R = r / 2. Якщо ще збільшити магнітне поле, то радіус орбіти ще зменшиться, і траєкторії електронів не будуть стосуватися анода. Електрони перестануть потрапляти на анод, і сила анодного струму впаде до нуля.
Насправді швидкості електронів через взаємодію між собою трохи різні, не всі електрони рухаються перпендикулярно катода. Тому спад анодного струму буде поступовим: спочатку не досягнуть анода повільні електрони, потім більш швидкі. Середньоквадратичної швидкості, отриманої з рівняння (1), відповідає ділянку найбільш крутого спаду графіка (рис. 2).
Вирішуючи спільно рівняння (1) і (3) з урахуванням R = r / 2, отримаємо формулу для розрахунку питомої заряду електрона
Індукція магнітного поля в центрі котушки може бути розрахована за формулою
де = 4p # 8729; 10 -7 Г / м - магнітна постійна; N - число витків котушки; Jкр - сила критичного струму; l - довжина котушки; # 946; - кут між напрямком на крайні витки з центру котушки і її віссю.
Експериментальне вимір питомої заряду електрона проводиться на лабораторній установці. Вона складається 1) з модуля з електронної лампою, вміщеній всередину котушки; 2) блоку живлення з амперметром для вимірювання сили струму в котушці і вольтметром, 3) миллиамперметра для вимірювання сили анодного струму (рис.3). Модуль і блок живлення з'єднані кабелем.
1. Встановити межі вимірювання миллиамперметра 20 мА. Перевірити підключення його до модуля до гнізд «РА». Індикатор повинен показувати нуль.
2. Включити блок живлення в мережу 220 В. Перемінними резисторами встановити анодна напруга в інтервалі 12-120 В, мінімальну силу струму через котушку (0,5 А). Після нагріву катода в анодному ланцюзі повинен з'явитися ток, реєстрований миллиамперметром.
Повторити вимірювання сили анодного струму, змінюючи силу струму через котушку в межах від 0,5 А до 1,5 А через кожні 0,1 А (одну поділку шкали амперметра). Результати записати в табл. 1.
Сила струму в котушці Jкат. А
4. Побудувати графік залежності сили анодного струму Jан від сили струму в котушці Jкат. Розмір графіка не менше половини сторінки. На осях вказати рівномірний масштаб. Близько точок провести плавну криву так, щоб відхилення точок були мінімальні.
5. Визначити за графіком середнє значення критичної сили струму в котушці Jкр як абсциссу середини ділянки найбільш крутого спаду анодного струму (рис. 2). Записати в табл. 2.
6. Розрахувати за формулою (5) середнє значення критичної індукції магнітного поля котушки, підставивши критичне значення сили струму. Записати в табл. 2.
Розрахувати середнє значення питомого заряду електрона за формулою (4).
7. Оцінити систематичну похибку вимірювання питомого заряду за формулою
вважаючи, що похибка обумовлена в основному неточністю визначення критичного струму. Прийняти 2d Jкр рівній ширині ділянки крутого спаду (рис. 2).
9. Зробити висновки. Записати результат. Порівняти з табличним значенням питомої заряду електрона Кл / кг.
1. Дайте визначення питомої заряду частинки. У якийсь частки питома заряд максимальний?
2. Запишіть формулу сили Лоренца. Як визначити напрям сили Лоренца? Поясніть на прикладах.
3. Запишіть рівняння другого закону Ньютона для руху електрона в поперечному магнітному полі.
4. Поясніть причину зміни траєкторії електрона між катодом і анодом діода в міру збільшення індукції магнітного поля. Дайте визначення критичної індукції.
5. Поясніть залежність сили анодного струму з ростом індукції магнітного поля. Чому спад сили струму відбувається не стрибком при критичному значенні індукції?
6. Виведіть формулу для розрахунку питомої заряду електрона по руху в магнетроні.