Порядок виконання роботи:

1. Зберіть коло згідно зі схемою (рис.1) і одержіть дозвіл викладача на виконання вимірювань.

○

~

○

R

Рис. 1

2. Увімкніть первинну обмотку трансформатора в мережу змінного струму при розімкнутій вторинній обмотці. При I₂=0 виміряйте U₁ і U₂ і обчисліть коефіцієнт трансформації ненавантаженого трансформатора.

3. Встановіть повзунок реостата в середнє положення і увімкніть його як навантаження вторинної обмотки трансформатора.

4. Змінюючи опір реостата, встановіть струми I₂, що дорівнюють 1, 2, 3, 4 А і при кожному струмові запишіть значення U₁ і U₂.

5. За співвідношенням (5) і (6) обчисліть коефіцієнт трансформації і споживану потужність. Результати вимірювань і розрахунків занесіть до таблиці:

I2	U2	P	U1	k

6. На міліметрованому папері побудуйте графік залежності коефіцієнту трансформації від споживаної потужності P.

Дайте відповіді на запитання:

1. Яке явище лежить в основі дії трансформатора?

2. Чому зміна сили струму у вторинній обмотці приводить до непропорційної

зміни сили струму у первинній?

3. Чи може перегоріти первинна обмотка при короткому замиканні вторинної?

4. Змінювати силу струму і напругу можна за допомогою реостату і потенціометра. Яка ж необхідність виникла у трансформаторі?

Лабораторна робота № 34.

Визначення питомого заряду електрона методом магнітного фокусування.

Прилади та приладдя: електронно-променева трубка, вольтметр постійного струму на 100В, випрямляч на 1000В, реостат на 300Ом, випрямляч на 30В , амперметр.

Мета роботи: вивчення закономірностей руху часток у магнітному полі за допомогою електронно-променевої трубки.

Коротка теорія та методика вимірювань

Основна властивість магнітного поля полягає в тому, що в ньому діють сили на провідники зі струмом. За формулою Ампера на відрізок провідника, довжиною dL зі струмом I з боку магнітного поля з індукцією В діє сила

dF = I BdL sinα, (1)

де α - кут між напрямком струму та вектором індукції магнітного поля. Сила dF перпендикулярна до площини, що містить елемент I, dL і вектор В, і спрямована в бік, звідки видно найкоротший поворот від елемента струму до вектора В проти годинникової стрілки. Струм зумовлений переміщенням заряджених часток, тому природно допустити, що сила, діюча на провідник зі струмом, зумовлена силами, що діють з боку магнітного поля на окрему рухом заряджену частку. Дійсно, якщо струму в провідникові немає, то заряджені частки рухаються невпорядковано, і сили, що діють на них з боку магнітного поля, мають безладні орієнтації. При складанні таких сил результуюча при великій кількості складових буде невеликою, бо середня сила, що діє на окрему частку, є незначною.

При впорядкованому русі заряджених часток, яким і є електричний струм, з’являється спільна для всіх зарядів складова швидкості, тому в цьому випадку і одержується помітна величина сили, діючої з боку магнітного поля на електричний струм. Відповідні міркування приводять до співвідношення для сили, що діє з боку магнітного поля на відокремлений рухомий заряд, у вигляді:

F = q u B sin α, (2)

де q - величина заряду, u - так звана дрейфова швидкість його.

Співвідношення (2) вперше було одержано Г. Лоренцом. Тому силу, діючу на рухомий заряд з боку магнітного поля , називають силою Лоренца.

Сила Лоренца перпендикулярна до напрямку швидкості, тому вона змінює тільки її напрямок, не змінюючи величину u. Звідси випливає важливий висновок: робота сили Лоренца дорівнює нулю, тобто постійне магнітне поле не здійснює робогти при переміщенні зарядженої частки і не змінює її кінетичної енергії.

B

β u i

f

β

i f

u₁

B

Для визначення питомого заряду електрона (так називають відношення e/m, де e і m - відповідно заряд і маса електрона, в даній роботі застосовується метод фокусування електронного пучка повздовжнім магнітним полем.

B

u

i

f

u

u₂

Рис.1.

Розглянемо рух електрона в магнітному полі. Нехай електрон летить зі швидкістю u, що складає кут α з напрямком магнітного поля В. Розкладемо швидкість електрона на дві складові: вздовж поля u₁=u^.cosα і перпендикулярно полю u₁=u^.cosα (рис.1).

Сила Лоренца на повздовжню складову не діє і змінює тільки напрямок поперечної складової. Оскільки u₂, В і кут α між u₂ і В (прямий!) залишаються сталими, то електрон в площині, перпендикулярній В, буде описувати коло. Сила Лоренца стане доцентровою по відношенню до u₂. Із того, що mu₂²/r = Beu₂, де r - радіус кола, випливає, що

r = m u₂ / B e q. (3)

Враховуючи, що на повздовжню складову u₁ з боку магнітного поля не діє сила, то рух електрона складається з рівномірного прямолінійного руху вздовж поля із швидкістю u₁ і рівномірного обертання навколо поля зі швидкістю u₂. Ясно, що траєкторія руху електрона буде являти собою гвинтову лінію. Час одного оберта навколо поля, тобто період обертання, T = 2π r / u₂, що з урахуванням (3) дає

T = 2π m / (B e). (4)

На співвідношенні (4) і грунтується метод визначення відношення e/m для електронів, який складається ось із чого. Електрони, що випускаються катодом К, проходять через отвір в аноді А. Між катодом і анодом прикладається прискорююча напруга U. Отже, із “електронної гармати” вилітає пучок електронів, швидкість яких визначається співвідношенням

m u² / 2 = e U (5)

За анодом електрони рухаються в просторі, вільному від електричного поля, і попадають на люмінесцентний екран. На трубку надягається довга котушка (соленоїд), що створює всередині трубки однорідне магнітне поле з ідукцією

B = μ₀ μ n I, (6)

де μ₀ - 4π^.10^-7 Гн/м – магнітна стала; μ - відносна магнітна проникність; n - число витків на одиницю довжини соленоїда; I - сила струму в соленоїді.

Електрони, що вилетіли за межі аноду під невеликим кутом до магнітного поля, рухаються по циліндричних спіралях. За час одного оберту Т(4) електрони вздовж поля пролітають відрізок

l = u₁ T = 2π m u₁ /(B e). (7)

Це означає, що електрони, вилітаючи із катода під деяким кутом α, знову перетинають вісь пучка в точках на відстанях l; 2l; 3l і т.д. від анода. В цих точках відбувається фокусування електронного пучка (рис.2). Отже, якщо монотонно змінювати

Рис. 2

магнітне поле або швидкість електронів, то спочатку розмита пляма на екрані буде періодично стягатися в малу пляму. Якщо відстань L між анодом А і екраном дорівнює l, то електрони пучка по завершенню одного оберту зустрінуться на екрані. При L = 2l електрони зустрінуться на екрані після двох обертів і т.д. Отже, умовою фокусування пучка на екрані є рівність L = kl, де k - ціле число з ряду: 1, 2, 3 і т.д.

Важаючи кути α малими (cos α ≈ 1), із співвідношень (5) – (7) одержуємо

e / m = 2U . (8)

Вимірюючи значення U і I, при яких відбувається фокусування пучка на екрані, за формулою (8) обчислюють відношення e/m.