Метод вимірювання й опис установки

Магнетрон являє собою вакуумний діод з катодом непрямого розжарювання і анодом. Катод К розташовується уздовж осі циліндричного анода, так що електричне поле спрямоване уздовж радіуса. Лампа міститься всередині соленоїда, що створює магнітне поле, спрямоване паралельно катоду. Переміщення електронів відбувається в кільцевому проміжку між катодом і анодом магнетрона. Цей рух має кілька відмінностей від того ідеального випадку, який ми аналізували вище.

1) Початкова швидкість  електронів, що вилітають з катода, відмінна від 0. Рівняння (3) повинно мати більш складний вигляд.

2) У магнетроні електрон рухається одночасно в електричному і магнітному полях. Оскільки електричне поле збільшує швидкість електрона, то його траекторія не буде дугою кола, а має більш складну форму. Ця особливість у лабораторній роботі не дуже істотна, тобто формула (3) справедлива, траекторії електронів — дуги кіл.

У формулі (4) U=  — анодна напруга.

Введемо ще одне спрощення. Оскільки радіус циліндричного анода набагато більше радіуса циліндричного катода , то можна вважати, що = 0.

Розглянемо траекторії електронів у магнетроні при різних значеннях індукції магнітного поля В (рис.38.2). У відсутності магнітного поля траекторія електрона прямолінійна і спрямована уздовж радіуса анода. У слабкому полі вона являє собою дугу великого радіуса. Анодний струм в обох випадках найбільший. Зі збільшенням індукції В магнітного поля радіус R зменшується. При деякому критичному 

 

 

Рис. 38.2

 

значенні магнітного поля електрони рухатимуться по колу, діаметр якого дорівнює радіусу анода; вони ледь торкаються поверхні анода: R = 0,5 . При В >  електрони рухаються по колах, діаметр яких менше радіуса анода, вони не попадають на анод. Анодний струм дорівнює нулю (  = 0).

Отже, для В =  формула (4) набуває вигляду

 

                                       (5)

 

Індукцію В магнітного поля соленоїда обчислюємо за формулою

                                        (6)

 

 

де  — магнітна проникність середовища (  =1);

 — магнітна стала (  );    

I — сила струму в обмотці соленоїда;

n —.число витків на одиницю довжини соленоїда.

 

           Підставляючи (6) у (5), одержимо розрахункову формулу                                      

                                 (7)

 

Таким чином, для обчислення питомого заряду електрона потрібно виміряти анодну напругу , значення струму  в соленоїді, при якому анодний струм дорівнює нулю; n і  вказані на лабораторному стенді.

З вищевикладеного може скластися думка, що зміна анодного струму  з ростом струму I у соленоїді повинна відбуватися так, як показано на рис. 3 штриховою лінією.

 

 

Рис. 38.3

 

В реальних умовах з ряду причин (різні початкові швидкості електронів, непаралельність поверхонь анода і катода, наявність залишкових газів та ін.) крива = f (I) спадає більш плавно і не перетинає осі абсцис. Вона зображена на рис. 3 суцільною лінією.  визначаємо за таким правилом. Ділянку крутого спаду поділяємо точкою Q навпіл (тобто  = ). Струм соленоїда, що відповідає точці Q, є критичним струмом.

Схема електричного кола магнетрона показана на рис. 38.4.  — потенціометр, яким можна підбирати визначену напругу на аноді . Міліамперметр і вольтметр контролюють роботу анодного кола.

 

Рис. 38.4

 

Рис. 38.5

 

На рис. 38.5 подана схема включення соленоїда, в магнітному полі якого знаходиться магнетрон. Регулюючим резистором R можна змінювати струм соленоїда I, величина якого виміряється амперметром А.

У лабораторній роботі як магнетрон використовують електронну лампу 6Е5С, тому що її конструкція повністю задовольняє переліченим вище умовам. Вигляд екрана індикатора наведено на рис. 38.6.

 

Рис.38.6

 

Частина електронів, що випускаються катодом лампи, рухається радіально в електричному полі між її катодом і екраном.

Потрапляючи на екран, покритий флуоресціюючою речовиною, ці електрони викликають його світіння. При спостереженні зверху конічний екран лампи дозволяє простежити траєкторії руху електронів від катода до екрана. Крізь отвір в екрані проходить керуючий електрод, з'єднаний з анодом. Напруга на аноді значно менше, ніж на екрані, тому керуючий електрод трохи послаблює поблизу себе електронний потік. На екрані утвориться тінь у вигляді сектора з прямолінійними краями (рис. 38.6, а).

Коли лампа знаходиться в однорідному магнітному полі, паралельному осі катода, електрони відхиляються і рухаються по майже кругових траєкторіях. На рис. 38.6 видно вигин країв темного сектора при наявності магнітного поля, що відповідає траекторіям руху електронів у цих полях. Одночасно зі зміною світіння відповідних ділянок екрана змінюється анодний струм лампи, убуваючи майже до нуля. 

 

Прилади і приладдя

Магнетрон; міліамперметр; амперметр; вольтметр; потенціометр; соленоїд; регулюючий резистор; джерела постійного і змінного струму; два ключі.

 

Порядок виконання роботи

Зібрати електричні кола магнетрона (рис.38.4) і соленоїда (рис.38.5). Ручку потенціометра  повернути до кінця проти годинникової стрілки. Опір резистора R зробити максимальним.

Замкнути коло ключем , потенціометром  встановити анодну напругу , задану викладачем. Ключем  замкнути коло соленоїда. Збільшувати резистором R струм I соленоїда з інтервалами 0,1 А до максимального. Вимірювати величину анодного струму I_а. Результати вимірів , I,  записати в таблицю.

Для нових значень  дослідити залежність анодного струму  від струму в соленоїді I, діючи так, як сказано в п. 2. Результати вимірів , I, I_a занести в таблицю.

Використовуючи таблицю, побудувати графіки I_a = f (I) на аркуші міліметрівки. Із сімейства кривих вибрати ту, яка спадає найбільш круто, по ній визначити .

За формулою (7) обчислити питомий заряд електрона в системі одиниць СІ. Порівняти отриманий результат з довідковими даними.

 

 

=     В		=   В		=   В		=    В
I, A	,mA	I, A	,mA	I, A	mA	I, A	, mA

............................................................................................................

Контрольні запитаня

Що таке сила Лоренца? Як визначається її напрямок? Які Ви знаєте прояви сили Лоренца в природі?

Як використовується в техніці сила Лоренца? Назвіть прилади й апарати, в яких вона використовується.

Виведіть розрахункову формулу.

Який струм називають критичним? Як його визначають?

Які фізичні основи принципу роботи магнетрона?

Які сили діють на електрон, що рухається в магнітному полі?

Як визначити індукцію магнітного поля соленоїда?

Чому скидові характеристики не дають різкого “вертикального” зменшення сили анодного струму при значенні I_кр?

Лабораторна робота № 39