Экспериментальная установка. Как уже отмечалось, настоящая работа посвящена определению удельного заряда электрона методом магнетрона [3]

Как уже отмечалось, настоящая работа посвящена определению удельного заряда электрона методом магнетрона [3]. В установке в качестве магнетрона вместо двухэлектродной электронной лампы использована трехэлектродная лампа типа СО-118 (промышленность не выпускает вакуумные диоды с цилиндрическим анодом большого диаметра). Радиусы катода и анода лампы СО-118 равны r_к=0,60 мм, r_а=6,1 мм. Лампа СО-118 имеет ненужную в условиях данной задачи сетку. Для того чтобы сетка не искажала картину поля в промежутке «катод-анод», она присоединена через резистор с большим сопротивлением к аноду лампы. Сопротивление выбрано так, чтобы за счёт сеточного тока сетка приняла потенциал, близкий к значению потенциала в двух
электродной лампе в месте её расположения. При этом поле в лампе будет близко к полю двухэлектродной лампы, для которого выполнен расчёт. Схема включения лампы приведена на рис.7. Накальная цепь лампы питается от универсального источника питания УИП-2. Напряжение между катодом и анодом лампы создаётся этим же источником и снимается с другого выхода. Оно измеряется с помощью встроенного в УИП-2 вольтметра. Ток анода лампы измеряется мультиметром Ц51, включенным на предел 75 мкА постоянного тока.

Лампа помещается в центральной части соленоида L. Цепь питания соленоида L содержит источник постоянного тока и амперметр. Соленоид длиной l=48,7 см и диаметром d=7 см имеет N=1970 витков. Видно, что длина соленоида много больше его радиуса, поэтому при вычислении величины индукции магнитного поля в его центре можнопренебречь краевыми эффектами и для расчёта использовать формулу «бесконечно длинного соленоида»

B=mm₀ nI_c , (21)

где I_c – величина тока в обмотке соленоида, m – относительная магнитная проницаемость среды (для воздуха m»1), m₀=4p×10^-7 Гн/м – магнитная постоянная, n=N/l – число витков соленоида на единицу длины.

Порядок выполнения работы

Ниже жирным шрифтом набраны надписи, нанесенные на лицевую панель УИП-2.

1. Ознакомиться с монтажной схемой установки, приведенной на рис. 7.
2. Проверить правильность расположения магнетрона в соленоиде. Он должен находиться в его середине. Цветная метка на проводах питания магнетрона при этом совпадает с краем соленоида.
3. Установить переключатель П1 УИП-2 (Рис. 8) в положение I.

Регуляторы R1и R2 – в крайнее левое положение, соответствующее минимальному напряжению. Тумблер К2откинут вправо, К3 –влево, К4– вверх.

1. Тумблером К1<СЕТЬ> включить УИП-2.
2. Плавно вращая R2по часовой стрелке (медленно увеличивая напряжение на клеммах Выход 2), с помощью амперметра А₁установить ток накала магнетрона равным 0,47 А. Поддерживая ток постоянным, прогреть катод магнетрона в течение 15 минут.
3. Включить источник тока соленоида.
4. Снять семейство характеристик зависимости анодного тока магнетрона от тока соленоида при разных фиксированных анодных напряжениях. Значения анодных напряжений, снимаемых с клемм Выход 1, устанавливаемых с помощью переключателя П1и регулятора R1и измеряемых встроенным в УИП-2 вольтметром V в интервале от 40 до 150 В, задает преподаватель. Силу тока соленоида изменяют, вращая ручки соответствующих регуляторов источника. Пока ток анода магнетрона (I_a) практически не изменяется при увеличении напряженности магнитного поля соленоида, ток соленоида (I_c) можно изменять через 0,5 А. Как только I_a начнет уменьшаться, I_c следует увеличивать медленно через 0,05…0,1 А до тех пор, пока I_a не станет близким к нулю.
5. Анодный ток магнетрона сильно зависит от температуры его катода, поэтому необходимо строго следить за постоянством тока накала при помощи амперметра А₁.
6. Результаты измерений занести в таблицу.

Ua=40 B	Ua=…. B	Ua=…. B	Ua=…. B	Ua=…. B
Ic, A	Ia, мкА	Ic, A	Ia, мкА	Ic, A	Ia, мкА	Ic, A	Ia, мкА	Ic, A	Ia, мкА

1. Минимизировать соответствующими регуляторами ток соленоида, а затем выключить источник. Снять анодное напряжение магнетрона, повернув переключатель П1 и регулятор R1против часовой стрелки до упора. При этом вольтметр Vбудет показывать напряжение 30…40 В.
2. Повернуть R2против часовой стрелки до предела, уменьшив ток накала до минимального значения. С помощью тумблера К1<СЕТЬ> выключить УИП-2.
3. По данным таблицы построить семейство характеристик I_a=f(I_c) при разных анодных напряжениях и показать результаты преподавателю.
4. Из графиков найти критические значения токов соленоида I_cкр, соответствующие критическим значениям магнитной индукции В_кр.

14. По формуле (21) рассчитать критическое значение индукции В_кр магнитного поля соленоида, принимая во внимание, что l=0,487м, N=1970, а критический ток определен по результатам эксперимента на половине высоты зависимости I_a=f(I_c) при каждом заданном анодном напряжении магнетрона.

1. По формуле (20) рассчитать относительный заряд электрона.
2. Найти среднее значение е/т, среднеквадратическую ошибку и доверительный интервал результата эксперимента при уровне надежности 0,95 [4, 5].

Контрольные вопросы

1. Можно ли определить удельный заряд электрона, воздействуя на него постоянным электрическим полем?
2. Объясните принцип работы масс-пектрометра.
3. Как происходит движение электрона в цилиндрическом магнетроне в сильных и слабых магнитных полях?
4. Как с помощью магнетрона определить удельный заряд электрона?
5. Почему тесла-токовые характеристики преобразуются при изменении анодного напряжения магнетрона?
6. Почему экспериментальная тесла-токовая характеристика магнетрона отличается от идеальной?
7. Объясните принцип работы установки для определения удельного заряда электрона методом магнетрона.
8. Почему магнитное поле магнетрона можно считать однородным?

Список рекомендуемой литературы

1. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Электричество. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. Т.3.
2. Шпольский Э.В. Атомная физика. Введение в атомную физику. М.: Наука, 1984. Т.1.
3. Лабораторные занятия по физике. М.: Наука, 1983.
4. Обработка результатов измерений: метод. указ. /сост. Ю.К. Братухин, Г.Ф. Путин; Перм. гос. ун-т, Пермь, 1993.
5. Использование Microsoft Excel в лаборатории ядерной физики общего физического практикума: метод. указ./сост. И.В. Изместьев, А.С. Пихтовников; Перм. гос. ун-т, Пермь, 2007.

Методическое издание

Составители: Ажеганов Александр Сергеевич

Гущин Сергей Игнатьевич

Изместьев Игорь Васильевич

Спелков Герман Павлович