fizpr

лампы, которая размещается в соленоиде таким образом, что ее нить накала (катод) располагается вдоль оси соленоида (рис. 1).

Катод

Соленоид

Рисунок 1

Анод лампы имеет форму цилиндра. При таком расположении электродов электрическое поле E между катодом и анодом имеет радиальное направление от анода к катоду.

Магнитное поле B в лампе создается при пропускании тока по обмотке соленоида и по правилу правого винта (лаб. раб. № 302) направленное вдоль его оси.

Такая же конфигурация электрического и магнитного полей (они взаимно перпендикулярны) осуществляется в магнетронах - генераторах электромагнитных колебаний в области сверхвысоких частот. С этим связано название лабораторного метода.

При движении электрона в электрическом поле лампы (ток в

где e = -1,6 ×10−19 Кл – заряд электрона;

E - напряженность электрического поля.

Под действием этой силы отрицательно заряженные электроны, которые вылетают из катода, практически без начальной скорости

где - B индукция магнитного поля, Тл;

υ – скорость движения электрона относительно поля, м/с.

Результирующая сил Fел и Fл (рис. 2) равняется

Поверхность анода

Fел

Fел

92

Согласно принципу независимости действия сил в механике, скорость электрона вдоль криволинейной траектории (рис. 3, точка 1) можно рассматривать как векторную сумму скоростей:

кривизны траектории, которая возникает вследствие действия силы Лоренца.

Вид траектории движения электрона (рис. 4) в межэлектродном пространстве (она может быть прямолинейной, криволинейной со сменным радиусом кривизны, окружностью) зависит от нескольких

Iа, mА

0

Iкр Iс, А

Рисунок 4 Во-первых, напряженность и потенциал электрического поля

изменяются от катода к аноду. Поэтому вдоль этого направления

93

изменяется величина скорости электрона υr , вследствие чего меняется сила Лоренца (при наличии магнитного поля), а значит и вызванное ею искривление траектории.

Во-вторых, сила Лоренца (2) зависит от индукции магнитного поля. Для каждого заданного напряжения Ua между катодом и анодом существует некоторое критическое значение магнитной индукции Вкр ,

при котором траектории электронов затрагивают поверхность анода (рис.4,б). До сих пор мы считали, что все электроны покидают катод со скоростью, равной нулю. В этом случае при В<Вкр все электроны без исключения попадали бы на анод (рис.4,а), а при В>Вкр все они возвращались бы на катод, не достигши анода (рис. 4,в). Анодный ток Iа с увеличением магнитного поля изменялся бы при этом так, как это показано на рисунке 4 штриховой линией. На самом деле электроны, которые ипускаются нагретым катодом, имеют разные начальные скорости. Критические условия достигаются поэтому для разных электронов при разных значениях индукции В. Кривая Iа= f ( Iс) приобретает вследствие этого вид сплошной линии на рисунке 4.

В условиях эксперимента достаточно допустимо пользоваться этим графиком, тогда под Вкр следует понимать значение индукции магнитного поля, при котором происходит заметное уменьшение анодного тока. Для его определения нужно провести перпендикуляр на ось Iс из точки перегиба кривой, как показано на рисунке 4. Ток соленоида Iкр, который соответствует этой точке, определит Вкр :

94

г- число витков, которое приходятся на единицу длины соленоида;

β– коэффициент, который учитывает геометрию соленоида. Значение

βи п указаны на лабораторном стенде.

Пусть индукция магнитного поля, которое создается током соленоида, в лампе равняется Вкр . В этом случае траектория движения электрона близкая к окружности с центром ОБ (рис.3) и радиусом,

R » ra , где ra – расстояние между катодом К и поверхностью анода А.

2

Работа, которую выполняет электрическое поле при перемещении электрона от катода до анода с потенциалом U a ,

равняется W = eU a . Магнитное поле никакой работы при этом невыполняет, поскольку сила Лоренца всегда перпендикулярна скорости, а значит, к любому элементу длины траектории. На основании закона сохранения энергии работа равняется кинетической энергии электрона близ анода (начальной скоростью электрона пренебрегаем и учитываем (4)):

Рассмотрим соотношение (4) для электрона, который в некоторый момент времени находится в точке 2 (рис. 3). В этой точке

противоположное, проекция радиальной составляющей скорости υr

обращается в нуль, и тогда можно принять, что υr2 = 0 , а υ 2 = υn2 .

Величину υn2 в той же точке можно найти исходя из того, что сила Лоренца (2) при движении электрона по окружности (в нашем случае

Приравнивая выражение для силы Лоренца и центростремительной

силы eυB = mυ 2 , получим:

R

Возведем выражение (7) в квадрат и подставим в качествеυn2 в

(6). Учтем, что U = U a , B = Bкр . Получаем расчетную формулу,

позволяющую определить удельный заряд электрона, которая при заданных U a и ra и с учетом (5) имеет вид:

Порядок выполнения работы

1.Собрать (проверить) электрические схемы согласно рис. 5.

2.Проверить отсутствие тока в цепи соленоида. Если он есть, реостатом уменьшить до нуля.

96

соответствующий анодному напряжению, которое используется при расчете (( Ia , U a и ra указаны на лабораторном стенде).

4. Увеличивая ток в цепи соленоида Ic (предельное значение

Ic указано на лабораторном стенде), снять зависимость анодного тока от тока соленоида. Результаты измерений занести в таблицу 1.

5.Построить график зависимости анодного тока от тока соленоида (смотри рис.4).

6.По графику определить значение критического тока Iкр.

7.По формуле (8) вычислить удельный заряд электрона.

Таблица 1 – Результаты измерений

Ic , А

Ia , мА

В выводе сравнить полученный результат с табличным, для определения которого можно использовать численные значения е и т, которые приведены в работе.

97

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что такое удельный заряд электрона?

2.Объяснить выражение (3).

3.Почему ни сила Лоренца, ни сила, которая действует на электрон со стороны электрического поля, не имеют составляющих по оси Z (рис.2)? Объяснить направление действия этих сил.

4.Чему равняется работа при перемещении электрона от катода до анода? Постоянна ли ее величина?

5.Объяснить направление векторов E и B на рисунке 1.

6.Почему сила Лоренца не выполняет работы?

7.В чем заключается метод магнетрона, который используется для определения удельного заряда электрона?

8.От чего зависит вид траектории движения электрона в межэлектродном просторные?

9.Выведите формулу для определения радиуса кривизны траектории электрона, который движется в однородном магнитном поле.

98

Лабораторная работа № 304

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЧКИ КЮРИ ФЕРРОМАГНЕТИКА

Цель работы - изучение влияния температуры на магнитные свойства ферромагнетиков, экспериментальное определение температуры Кюри.

Приборы и оборудование: ферромагнитный образец, электрическая печь, термопара, милливольтметр, микроамперметр, трансформатор.

Основные требования к теоретической подготовке: При подготовке к лабораторной работе необходимо проработать разделы курса общей физики "Магнитные свойства веществ" и методические указания к данной работе.

Теория метода и описание установки

Тела, которые способны намагничиваться, т.е. приобретать магнитные моменты под действием внешнего магнитного поля, называются магнетиками. Существует три вида магнетиков:

диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Согласно гипотезе Ампера в любом теле существуют микроскопические токи, обусловленные движением электронов в атомах и молекулах. Эти токи создают в нем магнитное поле B' - поле микротоков.

Магнитное поле может быть создано макротоком, например проводником с током. В вакууме величину этого поля B0 ,

характеризует вектор напряженности H

99

называются парамагнетиками (газы, платина). Магнитное поле внутри них немного усиливается, и результирующее поле (2): В = В0 +В'.

R R

Вещества, для которых B' и B0 противоположны по направлению, называются диамагнетиками (висмут, сурьма, графит, цинк, таллий, золото). Магнитное поле внутри них ослабляется, т.е. результирующее поле (2) в диамагнетике оказывается немного слабее внешнего: В = В0 - В'

которая показывает, в сколько раз магнитное поле макротоков