Контрольные вопросы

1. Цель работы.

2. Каким образом проявляется существование магнитного поля? Cила Лоренца и взаимодействие магнитных полей с токами.

3. Природа намагниченности магнитных сред. Почему магнитная стрелка компаса взаимодействует с внешним магнитным полем?

4. Какие взаимодействия рассматриваются в работе?

5. Какие поля и токи являются стационарными?

6. Что является источником магнитного поля Земли?

7. Физический принцип измерения проекции магнитного поля Земли на горизонтальную плоскость.

8. Магнитное поле стационарного кругового тока в его геометрическом центре и закон Био-Савара. Происхождение стационарных магнитных полей.

9. Магнитное поле в центре короткой круговой катушки.

10. Принцип суперпозиции магнитных полей.

11. Описание лабораторной установки и сущность лабораторных измерений.

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.

3. С.М. Крейнин. Физические системы: модели, состояния, уравнения и законы движения. Т. 2. М.: Изд-во ООО «ИПЦ “Маска”», 2009. 527 с.

4. Д. В. Сивухин. Общий курс физики. Т. III. Электричество. М.: «Наука», 1977. 688 с.

5. Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. М.: «Мир», 1966. Вып. 5. 296 с.

Лабораторная работа Э.4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА

МЕТОДОМ МАГНЕТРОНА

Цель работы

Определение отношения заряда электрона к его массе с использованием закономерностей движения электрона в комбинированном электрическом и магнитном полях магнетрона

Теоретическое введение

Удельным зарядом электрона называется отношение модуля заряда электрона к его массе . Подстановка Кл и кг дает табличное значение

Кл/кг.

Эта величина может быть найдена экспериментально по закономерностям движения электрона в электрическом и магнитном полях в устройстве, назы­ваемом магнетроном.

Магнетрон – это двухэлектродная электронная лампа с коаксиальными цилиндрическими катодом и анодом, помещенная в однородное магнитное поле соленоида, причем вектор индукции параллелен оси симметрии лампы (Рис. 1). Вектор напряженности электрического поля Е направлен по радиусу от анода к катоду перпендикулярно магнитному полю

В, величина убы­вает ~ При нагревании катода возникает явление

термоэлектронной эмис­сии (Ричардсон О.В., 1928), в результате которого электроны покидают катод, попадая в меж­электродное пространство.

Электрическое поле Е действует на электроны с силой

направленной от катода к аноду. Под действием этой силы электроны движутся с ускорением и на поверхности анода приобретают скорость в соответствии с нерелятивистским законом сохранения механической энергии

Амперметр измеряет Соленоид

ток в соленоиде

Амперметр

+ измеряет анодный

U_c ток

анод

катод

U_к

U_a Вольтметр для контроля

анодного напряжения

Рис.1.

(1)

где U — разность потенциалов между анодом и катодом (анодное напряже­ние). Считается, что электроны выходят с катода с малой скоростью, поэтому в за­коне сохранения (1) не учитывают их начальной кинетической энергии. При U  10 В скорость электронов

v =  2(e/m)U  10⁶ м/c,

что много меньше скорости света м/с. Соотношение v²/c² 1 является основанием нерелятивистского приближения в описании движения электронов в магнетроне.

Магнитное поле действует на электроны с силой

.

Сила перпендикулярна скоро­сти электрона, поэтому она не влияет на величину скорости, а меняет только ее на­правление. По этой причине магнитное поле не дает вклада в закон сохране­ния энергии (1). На рис.2 показан примерный вид траекторий электрона при различных значениях магнитного поля.

Если , траектория представляет собой прямую линию (1). В магнитном поле сила искривляет траек­торию заряда. В слабом поле, пока величина меньше некоторого крити­ческого значения ( ), электрон достигает анода (кривая 2). При совпадении B с происходит касание траектории с поверхностью анода (кривая 3). Если же , электрон не попадает на анод и будет совершать сложное движение внутри лампы (кривая 4). Электроны образуют в лампе объемный отрицательный заряд, двигаясь в пространстве между катодом и анодом, но сила анодного тока будет равна нулю. В этом проявляется эффект отклоняющего действия магнитного поля на электроны.

Величину можно найти из уравнения движения электрона в скрещенных и полях (см. приложе­ние):

(2)

где – радиус анода, – радиус катода.