ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА МЕТОДОМ МАГНЕТРОНА

Выполнил студент -------------------------, группа -------------, дата -------.

Допуск ______________

Выполнение __________

Зачет ________________

Цель работы: определить отношение заряда электрона к его массе ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru .

Приборы и материалы

№ п\п Наименование прибора Класс точности ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru Цена деления Предел измерения ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru Точность отсчета ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru
Электронная лампа с цилиндрическим анодом
Соленоид
Амперметр        
Миллиамперметр        
Вольтметр        

Теоретические сведения

Основные понятия и законы

1.1. Магнитное поле и его характеристики

Магнитное поле – одна из форм электромагнитного поля, релятивистский эффект электрического поля.

Магнитное поле создаётся (порождается) током заряженных частиц, или изменяющимся во времени электрическим полем (током смещения), или собственными магнитными моментами частиц.

Магнитное поле действует только на движущиеся заряды. Оно обладает энергией, которая проявляет себя в виде электромагнитных сил, действующих на отдельные движущиеся электрические заряды (электроны и ионы) и на их потоки, т. е. электрический ток. Под влиянием электромагнитных сил движущиеся заряженные частицы отклоняются от своего первоначального пути.

Основными характеристиками магнитного поля являются магнитная индукция и напряженность.

Механическое действие, которое магнитное поле оказывает на другие тела, можно характеризовать вектором силы, а само поле – векторной физической величиной, называемой магнитной индукцией, которая позволяет определить эту силу. Магнитная индукция обозначается буквой ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru , измеряется в теслах (Тл).

Индукция магнитного поля – векторная физическая величина, численно равная силе, действующей в однородном магнитном поле на проводник единичной длины с единичной силой тока, расположенный перпендикулярно магнитным силовым линиям.

1Тл – индукция однородного магнитного поля, в котором на проводник длиной 1м с током в 1А, расположенный перпендикулярно магнитным силовым линиям, действует сила 1Н.

Магнитная индукция ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru является основной силовой характеристикой магнитного поля. Индукция магнитного поля может быть определена в любой точке пространства и в любой момент времени:

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru Рис.1.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru .

Направление вектора магнитной индукции задается направлением магнитной стрелки, помещенной в данную точку поля. Оно совпадает с направлением, которое указывает северный полюс стрелки (рис. 1).

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru Рис. 2.
Модуль вектора ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru можно определить с помощью силы, действующей на движущийся свободный заряд или проводник с током, где заряды перемещаются вдоль проводника, а также с помощью момента сил, действующих на рамку, по которой течет ток (рис. 2).

Магнитное поле в макроскопическом описании представлено двумя различными векторными полями, обозначаемыми, как ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru и ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru , где ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru – напряженность, ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru – индукция магнитного поля.

Для однородной изотропной среды вектор магнитной индукции связан с вектором напряженности следующим выражением:

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru , А/м,

где ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru – магнитная постоянная, ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru – безразмерная величина – магнитная проницаемость среды, которая показывает, во сколько раз индукция магнитного поля в среде ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru больше индукции ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru в вакууме (в вакууме ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru ):

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru

Магнитная проницаемость зависит только от свойств среды, в которой создаётся магнитное поле.

Напряженность ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru не зависит от магнитных свойств среды, но учитывает влияние силы тока и формы проводников на интенсивность магнитного поля в данной точке пространства. Однако, вектор ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru является важной, но вспомогательной характеристикой магнитного поля. Основной характеристикой магнитного поля всё же является вектор ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru .

1.2. Сила Лоренца

Магнитное поле проявляется в воздействии на магнитные моменты частиц и тел, на движущиеся заряженные частицы (или проводники с током).

Силой Лоренца – называется сила, действующая на движущуюся в магнитном поле электрически заряженную частицу.

Она пропорциональна заряду частицы ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru , составляющей скорости ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru , перпендикулярной направлению вектора магнитного поля ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru , и величине индукции магнитного поля B. В СИ сила Лоренца выражается так: ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru , где квадратными скобками обозначено векторное произведение (рис.3).

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru Рис. 3.
Взаимное расположение векторов ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru , ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru , ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru , и модуль силы Лоренца ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru численно равен площади параллелограмма, построенного на векторах ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru и ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru помноженной на заряд ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru .

В случае однородного магнитного поля ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru сила Лоренца равна:

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru ,

где: ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru – заряд частицы, ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru – скорость частицы, ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru – магнитная индукция поля, ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru – угол между вектором скорости и вектором магнитной индукции.

Направление силы Лоренца определяется по правилу левой руки (рис.4, 5):

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru Рис.5.
Если поставить левую руку так, чтобы перпендикулярная скорости составляющая вектора индукции входила в ладонь, а четыре пальца были бы расположены по направлению скорости движения положительного заряда (или против направления скорости отрицательного заряда), то отогнутый большой палец укажет направление силы Лоренца.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru Рис.4.

Полная сила

При движении заряженной частицы в электромагнитном поле на неё будут действовать и электрическое, и магнитное поле, а полная сила есть сумма сил со стороны первого и второго:

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru ,

где: ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru – напряжённость электрического поля, ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru – сила действующая со стороны магнитного поля (сила Лоренца), ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru – сила, действующая со стороны электрического поля.

Свойства силы Лоренца

1. Сила Лоренца направлена перпендикулярно векторам ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru и ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru (рис. 3, 4).

2. Для силы Лоренца, так же как и для сил инерции, третий закон Ньютона не выполняется.

3. При движении заряженной частицы в магнитном поле сила Лоренца работы не совершает, (т.е. не изменяет величину скорости заряда и его кинетическую энергию).

4. Макроскопическим проявлением силы Лоренца является сила Ампера. (Так как электрический ток представляет собой упорядоченное движение зарядов, то действие магнитного поля на проводник с током есть результат его действия на отдельные движущиеся заряды).

Частные случаи

1. Если заряженная частица движется параллельно силовым линиям магнитного поля, то ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru , и заряд в магнитном поле движется равномерно и прямолинейно.

2. В однородном магнитном поле, направленном перпендикулярно вектору скорости, под действием силы Лоренца заряженная частица будет равномерно двигаться по окружности постоянного радиуса ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru (рис. 6). Сила Лоренца в этом случае является центростремительной силой:

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru Рис. 6.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru .

1.3. Магнетрон

Магнетрон – это мощная электронная лампа, генерирующая микроволны при взаимодействии потока электронов с магнитным полем.

В простейшей конструкции многорезонаторного магнетрона (рис. 7) анодный блок представляет собой массивный медный цилиндр с центральным круглым сквозным отверстием и симметрично расположенными сквозными полостями (от 8 до 40 мм), выполняющими роль объёмных резонаторов. Каждый резонатор соединяется щелью с центральным отверстием, в котором расположен катод. Резонаторы образуют кольцевую колебательную систему. Такая система имеет не одну, а несколько резонансных частот, при которых на кольцевой колебательной системе укладывается целое число стоячих волн.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 - student2.ru Рис. 7.

Электроны эмитируются из катода в пространство взаимодействия, где на них воздействует постоянное электрическое поле анод-катод, постоянное магнитное поле и поле электромагнитной волны. Если бы не было поля электромагнитной волны, электроны бы двигались в скрещённых электрическом и магнитном полях по сравнительно простым кривым: эпициклоидам (кривая, которую описывает точка на круге, катящемся по наружной поверхности окружности большего диаметра, в конкретном случае – по наружной поверхности катода). При достаточно высоком магнитном поле (параллельном оси магнетрона) электрон, движущийся по этой кривой, не может достичь анода (по причине действия на него со стороны этого магнитного поля силы Лоренца), при этом говорят, что произошло магнитное запирание диода. В режиме магнитного запирания некоторая часть электронов движется по эпициклоидам в пространстве анод-катод. Под действием собственного поля электронов, а также статистических эффектов (дробовой шум) в этом электронном облаке возникают неустойчивости, которые приводят к генерации электромагнитных колебаний, эти колебания усиливаются резонаторами. Электрическое поле возникшей электромагнитной волны может замедлять или ускорять электроны. Если электрон ускоряется полем волны, то радиус его циклотронного движения уменьшается и он отклоняется в направлении катода. При этом энергия передаётся от волны к электрону. Если же электрон тормозится полем волны, то его энергия передаётся волне, при этом циклотронный радиус электрона увеличивается и он получает возможность достигнуть анода.

Наши рекомендации