fizick_praktika_II

Рис. 10.4. Зависимость анодного тока Iа от тока в обмотке соленоида Iс: а – критический режим работы магнетрона; б – реальный режим работы магнетрона

На самом деле вертикальный спад анодного тока не наблюдается. На экспериментальной зависимости Iа = f(Iс) (рис 10.4, б) можно выделить три прямолинейных участка. На первом участке все электроны, эмитированные катодом, достигают анода. На втором участке наблюдается плавное уменьшение анодного тока с ростом тока соленоида. Это связано с тем, что: 1) в экспериментальной установке катод установлен не точно по оси анода; 2) радиус катода отличен от нуля, т. е. катод является цилиндром малого диаметра; 3) начальные скорости электронов, вылетевших с поверхности катода, не равны нулю, а имеют различные значения в соответствии с распределением Максвелла. Третий участок обусловлен присутствием (согласно распределению Максвелла) небольшой доли электронов с высокой энергией, их скорости много больше средней скорости. При данном значении индукции магнитного поля B радиус кривизны траектории электрона изменяется так, что более медленные электроны уже не попадают на анод, а быстрые электроны еще достигают анода. Поэтому с ростом тока соленоида анодный ток медленно спадает (рис. 10.4, б, область 3).

Для определения значения Iкр на полученном графике Iа = f(Iс) проводят две прямые: одну горизонтальную через точки до спада анодного тока (область 1), другую – через точки,

151

образующие линейный участок в области 2 спада анодного тока. Точка пересечения этих прямых (касательных к областям 1 и 2) будет наиболее точно соответствовать значению Iкр (рис. 10.4, б) тока в соленоиде и соответствующим им значениям анодного тока до момента, когда анодный ток начинает резко уменьшаться.

4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

4.1.Описание экспериментальной установки

катода до анода можно принять R = (8 ± 1) мм.

На лампу надевается соленоид с большим числом витков на единицу длины. Густота намотки соленоида для всех экспериментальных макетов, совмещенных с персональными компьютерами, составляет (218 ± 5) вит/см = (21800 ± 500) вит/м.

Для определения зависимости анодного тока от тока соленоида используется следующая электрическая схема (рис. 10.6).

В качестве измерительных приборов (миллиамперметра, микроамперметра и вольтметра) используются контроллеры, измерительные шкалы которых выводятся на экран монитора, создавая имитацию стенда на экране компьютера (рис. 10.7). Значение анодного тока измеряется микроамперметром (μA),

152

значение тока соленоида – миллиамперметром (mA). Вольтметр (V) измеряет анодное напряжение. Регулировка тока соленоида осуществляется с помощью ручки потенциометра RP1. Ручка потенциометра RP2 предназначена для регулирования анодного напряжения. Ручки потенциометров выведены на панель лабораторного макета.

Рис. 10.7. Внешний вид экрана с измерительными приборами и планшетом для съема экспериментальных данных

153

4.2. Задание

Изучите работу магнетрона. Снимите зависимость анодного тока в лампе от тока соленоида. Рассчитайте удельный заряд электрона по формуле (10.11) и сравните с табличным значением. Оцените погрешность определенияудельного заряда электрона.

4.3.Ход работы

1.Включите питание лабораторного макета, нажав кноп-

ку на панели прибора (рис. 10.5).

2.Включите питание компьютера. Для этого включите монитор, нажав кнопку в правом нижнем углу монитора. После этого нажмите кнопку «Сеть» на системном блоке компьютера

идождитесь загрузки Windows.

3.На рабочем столе (на экране монитора после загрузки) на

ярлыке папки «Лаборатория» щелкните дважды левой кнопкой мышки. В открывшемся окне выберите из списка лаборатор-

ную работу «Определение удельного зарядаэлектрона методом магнетрона» и по ней дваждыщелкните левой кнопкой мышки.

4.На открывшемся окне появится панель данной работы, на которой расположены шкалы измерительных приборов, электронная таблица и набор кнопок управления (рис. 10.7).

5.Установите на макете ручки регулировки потенциометров RР1 и RР2 в схеме в нулевое положение (поверните до упора против часовой стрелки).

6.Включите при помощи левой кнопкой мышки питание приборов на панели. Проверьте работоспособность схемы, для этого через 1–2 мин поворотом ручки потенциометра RР2 измените анодное напряжение от минимального до максимального

ипо вольтметру на панели проследите за отклонением стрелок приборов.

7.Снимите зависимость анодного тока от тока соленоида при четырёх значениях анодного напряжения в указанных пределах от 6 до 15 В. Причём на линейном участке спада анодного тока (на втором участке экспериментальной зависимости

154

(см. рис. 10.4, б) получите не менее 8–10 экспериментальных точек. Результат каждого измерения с помощью кнопки «Съем данных» занесите в электронную таблицу.

8.После завершения измерений при одном анодном напряжении потенциометр RP1 установите в нулевое положение, установите новое значение анодного напряжения и повторите п. 7. Далее, повторите п. 7 еще для двух других значений анодного напряжения.

9.После завершения всех измерений данные из электронной таблицы перепишете в табл. 10.1 в рабочей тетради.

Таблица 10.1

Зависимость анодного тока Iа от тока соленоида Iс при различных значениях анодного напряжения Uа

10. После записи данных в рабочую тетрадь щелкните левой кнопкой мышки по значку в правом верхнем углу .

11. По полученным значениям на одном графике постройте четыре зависимости Iа = f(Iс) для выбранных значений анодных напряжений и графически определите значения критического

тока (Iкр).

12. Зная значения критического тока Iкр, для выбранных анодных напряжений рассчитайте значения e/m. Найдите среднее значение полученных результатов и погрешности определения удельного заряда электрона.

155

В формуле (10.12) величина me равна среднему значению удельного заряда электрона, вычисленная по формуле

14.Проанализируйте полученные результаты и сделайте

вывод.

15.Для выключения компьютера щелкните левой кнопкой мышки по расположенной в левом нижнем углу экрана кнопке «Пуск». В открывшемся меню щелкните левой кнопкой мышки по строке «Завершение работы», а затем по кнопке «ОК».

16.Выключите питание макета, нажав кнопку на панели

прибора (рис. 10.5).

ВНИМАНИЕ! Включение и выключение питания макета при включённом компьютере может привести к зависанию компьютера.

Контрольные вопросы и задания

1.В чем состоит метод магнетрона для определения удельного заряда электрона?

2.Как определяются величина и направление вектора магнитной индукции в соленоиде?

3.Что такое сила Лоренца, каково её направление?

4.Почему сила Лоренца не изменяет кинетической энергии заряженной частицы?

156

5.Определить частоту вращения (циклотронную частоту) частицы массы m и зарядом q в магнитном поле индукции B.

6.От чего зависит радиус кривизны траектории электрона

вмагнетроне?

7.Что происходит с электронами, вылетевшими из катода,

если величина магнитной индукции В < Вкр, В Вкр и В >Вкр? 8. Почему при увеличении тока в соленоиде (I > Iкр) на-

блюдается снижение анодного тока магнетрона? Как найти значение критического тока в соленоиде Iкр?

10.Два электрона с кинетическими энергиями W1 и W2 движутся в магнитном поле перпендикулярно индукции В. Найти отношение периодов вращения и радиусов траекторий.

11.Протон и электрон с одинаковыми скоростями попадают в однородное магнитное поле с индукцией В перпендикулярно вектору В. Во сколько раз радиус кривизны траектории протона больше радиуса кривизны траектории электрона?

12.Покажите, что радиус кривизны траектории заряженной частицы, движущейся в однородном магнитном поле, перпендикулярном скорости, пропорционален её импульсу.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Основная литература

1. Трофимова, Т.И. Курс физики (учебное пособие для технических специальностей вузов) / Т.И. Трофимова. М. : Издательский центр «Академия», 2007, 2008. 560 с.

Дополнительная литература

1.Курс лекций по общей физике. Ч. 2. Электростатика, электромагнетизм, физика пространства и времени, волновая

иквантовая оптика / Н.А. Конева, С.Ф. Киселева, А.А. Клопотов [и др.]; под ред. Н.А. Коневой – Томск : ТГАСУ, 2000. – 225 с.

2.Савельев, И.В. Курс общей физики. Т. 3 / И.В. Савельев. – М. : Наука, главнаяредакцияфиз.-мат. литературы, I989. – 432 с.

3.Иродов, И.Е. Основные законы электромагнетизма / И.Е. Иродов. – М. : Высшая школа, 1983.

157

Лабораторная работа № 11

ИЗУЧЕНИЕ НАМАГНИЧЕННОСТИ ПАРАМАГНЕТИКОВ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

При помощи моделирования поведения парамагнетика во внешнем магнитном поле провести определение намагниченности парамагнетика при различных значениях напряженности магнитного поля и температуры. Проверить выполнимость закона Кюри.

2. ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

Изучение намагниченности парамагнетика выполняется с использованием компьютера.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Согласно представлениям классической физики, электроны в атоме движутся по замкнутым траекториям – орбитам, образуя систему замкнутых орбитальных токов. Если принять, что электрон движется со скоростью по круговой

орбите радиуса r (рис. 11.1), то время одного оборота t l , где l = 2 r – длина окружности. Известно, что сила тока I qt , где q – заряд, переносимый через поперечное сечение

проводника за время t. Сила орбитального тока I qt е ,

где е – элементарный заряд электрона; – частота вращения электрона. Тогда

158

Орбитальному току соответствует магнитный момент Pme ,

носительно её центра О, называется орбитальным моментом импульса электрона. Согласно определению момента импульса,

Раскрывая векторное произведение и учитывая, что r (сле-

где m – масса электрона; r – его радиус-вектор, проведенный из

159

гиромагнитное (магнитомеханическое) отношение орбитальных моментов электрона.

Рассмотрим поведение атома в магнитном поле

с индукцией В0 . Пусть нормаль к орбите электрона располагается относительно вектора В0

произвольно, составляя с ней угол (0˚< <90˚) (рис. 11.2).

В этом случае атом в магнитном поле приходит в такое движение

вокруг В0 , при котором вектор

магнитного момента Pme , сохраняя постоянным угол , вращается вокруг вектора В0

с некоторой угловой скоростью. Такое движение в механике называется прецессией. Прецессию вокруг вертикальной оси, проходящей через точку опоры,

совершает, например, диск волчка при замедлении движения. Таким образом, электронные орбиты атома под действи-

ем внешнего магнитного поля совершают прецессионное движение, которое эквивалентно круговому току. Так как этот микроток индуцирован внешним магнитным полем, то, согласно правилу Ленца, у атома появляется составляющая индукции, направленная противоположно индукции внешнего поля. Наведенные составляющие индукции магнитных полей атомов (молекул) складываются и образуют собственную индукцию магнитного поля вещества, ослабляющую внешнее магнитное поле. Это явление получило название диамагнитного эффекта, а вещества, намагничивающиеся во внешнем

160