Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лабораторная работа N 28
ИЗМЕРЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА МЕТОДОМ МАГНЕТРОНА
Целью работы является определение удельного заряда электрона методом магнетрона и оценка погрешности его измерения.
Рис. 1. Схема
магнетрона
Удельный заряд частицы - это отношение ее заряда q к массе m . Простейший магнетрон представляет собой двухэлектродную электронную радиолампу (диод), состоящую из цилиндрического анода и расположенного на его оси катода (рис. 1). Лампа помещается в однородное магнитное поле, направленное по ее оси. В данной работе магнитное поле создается соленоидом (катушкой). Индукция магнитного поля изменяется за счет изменения тока в соленоиде.
Удельный заряд электрона оценивается по экспериментально наблюдаемой зависимости анодного тока врадиолампе от тока в соленоиде: . На электрон, движущийся от катода к аноду, действуют две силы: одна - со стороны электрического поля
, (1)
другая - со стороны магнитного поля – сила Лоренца
. (2)
Первая направлена вдоль радиуса от катода к аноду, вторая - перпендикулярно к векторам скорости и индукции магнитного поля.
Рис.2. Влияние магнитного поля на траекторию движения электрона. (Вектор направлен к читателю)
На рис.2 показаны траектории электронов при различных значениях индукции магнитного поля. По мере увеличения индукции поля траектория электрона все более искривляется и при некотором критическом значении индукции электроны не достигают анода, анодный ток в этот момент резко уменьшается.
Рис.2. Влияние магнитного поля на траекторию движения электрона. (Вектор направлен к читателю)
Изображенную на рис.3(а) и 3(б) зависимость силы анодного тока от индукции магнитного поля называют сбросовой характеристикой магнетрона. График а) соответствует идеальной, б) - реальной характеристикам.
Рис.3. Примерный вид идеальной (а) и реальной
(б) сбросовых характеристик магнетрона
Идеальная характеристика получилась бы при одинаковых скоростях движения электронов в строго однородном поле. Реально прекращение анодного тока происходит не скачком, а плавно. Критическое значение B кр индукции магнитного поля соответствует точке перегиба кривой .
Если радиус катода лампы мал по сравнению с радиусом анода , то электрон ускоряется в основном в пространстве вблизи катода, так как напряженность электрического поля отличается от нуля практически только вблизи катода. Вследствие этого и траектория электрона близка к окружности, а диаметр критической траектории можно считать равным радиусу анода
2r кр = R а (3)
2. Вывод расчетной формулы
Сила, действующая на электрон со стороны магнитного поля, сообщает ему нормальное ускорение. По второму закону Ньютона
F M = ma n или (4)
откуда
. (5)
С другой стороны, известно, что
(6)
где - разность потенциалов между катодом и анодом.
Исключая из (5) и (6) и используя (3), получим формулу для удельного заряда электрона
. (7)
Магнитное поле соленоида конечной длины без сердечника рассчитывается по формуле (см. прил.1).
(8)
где Гн/м - магнитная постоянная; - число витков соленоида; L - его длина; D - диаметр; Ic- ток в соленоиде.
Формула для расчета удельного заряда электрона принимает окончательный вид
. (9)
3.Контрольные вопросы
1. В каком случае траектория электрона, движущегося в однородном магнитном поле, представляет собой окружность?
2. При каких условиях траектория электрона, движущегося в скрещенных электрическом и магнитном полях, будет прямолинейной?
3. Заряженная частица прошла ускоряющую разность потенциалов U = 104 В и влетела в скрещенные под прямым углом электрическое (E = 10 кВ/м) и магнитное (B = 0,10 Тл) поля. Найти удельный заряд частицы, если, двигаясь перпендикулярно к обоим полям, частица не испытывает отклонения от прямолинейной траектории.
Рис. 4. Схема установки
4. Схема электрической цепи установки
Электрическая цепь установки (рис.4) состоит из двух частей: цепи соленоида (а) и цепи диода (б), в которых: - амперметр для измерения силы тока в соленоиде; - микроамперметр для измерения силы анодного тока; - вольтметр для измерения анодного напряжения; П1 и П2 - регуляторы тока и напряжения.
5. Порядок выполнения работы
В лаборатории физического практикума кафедры физики УГТУ-УПИ смонтирован магнетрон, изображенный на фотографии на титульном файле данной работы, при этом используется обычная радиолампа (диод), помещенная в относительно длинный соленоид, создающий достаточно однородное магнитное поле, что позволяет применять вышеописанную методику измерения и расчета удельного заряда электрона.
В компьютерном варианте данной работы максимально точно моделируются условия проведения эксперимента, на экране дисплея воспроизводятся миллиамперметр, измеряющий ток соленоида, и микроамперметр, регистрирующий анодный ток в радиолампе, что позволяет практически построить сбросовую характеристику магнетрона.
При этом от экспериментатора требуется аккуратность в проведении опыта и правильность записи результатов измерений, обработки опытных данных, расчета искомой величины и погрешности результата измерений. Измерения можно проводить как при монотонном повышении тока соленоида, так и при его уменьшении. Работать следует только с клавиатурой и мышкой.
Однако прежде чем выполнять экспериментальную часть работы, следует внимательно прочитать теоретическую часть данного руководства и ответить на контрольные вопросы.
2. Ознакомиться с приборами и заполнить таблицу «Средства измерений и их характеристики» отчета (смотри ниже Приложение 2).
3.Записать в отчет данные о параметрах магнетрона. Измерения проводятся при анодном напряжение Ua =6,0+_0,1В.
4.Навести курсор на регулятор тока соленоида, постепенно повышая значения тока в соленоиде снять зависимость анодного тока от силы тока Ic в соленоиде. Рекомендуется снять 18 точек. Результаты измерений внести в таблицу 2 отчета. По экспериментальным данным построить на миллиметровой бумаге график .
5. По полученным данным определить критическое значение тока в соленоиде I C, кр методом графического дифференцирования зависимости , которое осуществляется следующим образом. По парам ближайших точек тока соленоида (таблица 2) найти , и и занести эти результаты в таблицу 3. Построить на миллиметровой бумаге график зависимости , где < I c> есть среднее значение тока двух соседних точек, т.е. на оси абсцисс значение тока соленоида брать между двумя соседними точками. Точку на оси абсцисс, соответствующую максимуму графика принять за I С, кр.
6. Рассчитать удельный заряд электрона по основной расчетной формуле. Сравнить полученный результат с табличным значением удельного заряда электрона.
7. Рассчитать границу относительной и абсолютной погрешности результата измерения удельного заряда электрона по формуле, приведенной в отчете. В случае значительного расхождения опытных и табличных значений повторить измерения.
8. Оформить отчет (см. Приложение 2) и сдать его преподавателю на проверку.
Приложение 1
Индукция поля соленоида без сердечника на его оси может быть найдена по формуле
(П.1.1)
где - общее число витков соленоида, - сила тока в соленоиде, - его дли
на, и - углы между осью соленоида и радиусами -векторами, проведенными от его середины к крайним виткам (см. рисунок).
Из рисунка видно, что
Таким образом, имеем
К расчету индукции магнитного поля соленоида
(П.1.2)
Если (соленоид длинный), то
Приложение 2
ФОРМА ОТЧЕТА
Титульный лист:
У Г Т У - У П И
кафедра физики
О Т Ч Е Т
по лабораторной работе № 28
“Измерение удельного заряда электрона методом магнетрона”
Студент__________________
Группа __________________
Преподаватель………………..
Дата ____________________
На внутренних страницах:
1. Основная расчетная формула для определения удельного заряда электрона (пояснить смысл входящих в нее величин).
2. Средства измерений и их характеристики.
|
Наименование Средства Измерения |
Предел Измерений |
Цена Деления Шкалы |
Класс Точности |
Предел основной Погрешности, |
|
Микроамперметр Миллиамперметр |
3. Параметры соленоида и диода.
а) Соленоид: диаметр = 33,5 мм, длина =50 мм,
число витков = 1870; = 0,5мм, = 1 мм;
б) диод - радиус анода =5,0 мм, = 0,1 мм.
в) Анодное напряжение принять равным 6,0В +_ 0,1В.
б) =..........А (принимается равным половине интервала приращения тока соленоида вблизи критической точки).
4. Схема электрической цепи.
5. Результаты измерений (в форме таблиц 2 и 3).
Таблица 2
Зависимость анодного тока от тока в соленоиде
|
Ic, мA |
|||||||
|
Iа, мкА |
6. Построение графика
7. Определение критического тока Ic,кр в соленоиде по графику, построенному по данным таблицы 3.
Таблица 3
|
мкА |
||||||||||||
|
,мА |
||||||||||||
8. Удельный заряд электрона
, Кл/кг
9. Оценка границы погрешности результата измерения
Кл/кг. Округлить до одной значащей цифры.
10. Окончательный результат Кл/кг. Округлить результат измерения, согласовав разряд последней значащей цифры с разрядом погрешности измерения.
11.Выводы по работе (сравнить полученный результат с табличным значением измеряемой величины, проанализировать погрешности и т.д.).