Контрольные вопросы
Устройство магнетрона и конфигурация полей в нем.
Как найти величину и направление силы, действующей на электрон в межэлектродном пространстве?
Чем определяется величина скорости электрона в магнетроне?
Как будет двигаться электрон в однородном магнитном поле в отсутствие электрического поля?
Анодный ток и ток соленоида. Зависимость магнитного поля от тока соленоида.
Что означают критические условия в магнетроне? Какие характеристики их описывают?
Как находится в работе критическое значение магнитного поля?
Литература
1. А. В. Астахов, Ю. М. Широков. Курс физики. М.: «Наука», 1980. Т. II. 359 с.
2. И. Е. Иродов. Электромагнетизм. Основные законы. М.-СПб.: Физматлит, 2000. 350 с.
Д. В. Сивухин. Общий курс физики. Т. III. Электричество. М.: «Наука», 1977. 688 с.
4. Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. М.: «Мир», 1966. Вып. 5. 296 с.
Лабораторная работа э.5 изучение магнитного поля соленоида
Цели работы
1) Определить индукцию магнитного поля внутри соленоида и катушки.
2) Сравнить экспериментальные результаты с расчетом.
Теоретическое введение
Магнитное поле порождается движущимися зарядами и оказывает силовое воздействие на движущиеся заряженные объекты. Упорядоченное движение зарядов называют электрическим током. Таким образом, во-первых, токи создают магнитное поле и, во-вторых, в свою очередь магнитное поле действует на токи. Если сила тока I не изменяется (постоянный ток), то магнитное поле, порожденное таким током, также не изменяется во времени и называется стационарным (в противном случае – переменным).
Одной из основных характеристик магнитного поля является вектор магнитной индукции В (Тл). Вектор В определяет величину и направление силы, с которой магнитное поле действует: а) на любой точечный заряд, движущийся со скоростью v в произвольной точке пространства, где есть магнитное поле:
–
так
называемая магнитная
сила Лоренца;
б) на элемент длины dl линейного проводника (достаточно малого поперечного сечения) с током I:
–
сила Ампера.
Здесь вектор dl направлен вдоль провода в направлении тока, квадратными скобками обозначено векторное произведение заключенных в них сомножителей.
Закон
Био – Cавара
позволяет рассчитать величину и
направление вектора индукции магнитного
поля, созданного элементом тока
в
произвольной точке пространства на
расстоянии r
от тока:
Здесь
=
4
∙10-7
Гн/м – магнитная постоянная,
–
радиус-вектор, проведенный от элемента
тока в точку наблюдения. Индукция
магнитного поля
,
созданного всем током I
может быть найдена суммированием полей
,
созданных в точке наблюдения всеми
элементами
этого тока. Такой способ расчета
опирается на принцип суперпозиции:
магнитное поле, создаваемое несколькими
токами, равно векторной сумме магнитных
полей, создаваемых каждым током в
отдельности. Таким образом, полное поле
в точке наблюдения есть
.
(1)
Использование закона Био-Савара и принципа суперпозиции позволяет рассчитать значения индукции магнитного поля в любой точке на оси катушек, что является задачей эксперимента. Лабораторная аппаратура позволяет измерить величину индукции поля катушек в определенных точках и сравнить расчетные данные с экспериментальными.
В
приложении
показано, что величина индукции
поля на оси катушки в произвольной точке
с координатой x,
отсчитываемой от
(центр катушки), дается выражением
(2)
Здесь
N
– число витков катушки, l
– ее длина,
x
– координата
точки наблюдения на оси катушки, R
– радиус катушки,
и
– углы
между осью катушки и лучами из точки x
к краям
катушки (рис. 1).
Примерная картина структуры и величины магнитного поля внутри короткой и длинной катушек приведена на рис. 1.
Если выполняется
соотношение 2R
l
(длинную катушку называют соленоидом),
то в точке с координатой
(торец) имеют место равенства α1=
и α2
,
а в центре соленоида (x=
0) — α1
и α2
.
В этом случае расчет величины магнитной
индукции на оси соленоида в центре Вц
и в торце Вт
по формуле (2) дает
(3)
где
— число витков на единицу длины
соленоида.
Если
выполняется соотношение l
2R
(короткая
катушка)
и
,
то с учетом того, что α2
= α1+
;
и
,
получаем
(4)