Лабораторная работа №2 по физике (часть 1-я). Измерение удельного заряда электрона методом магнетрона. Вариант №3

1.ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1. Ознакомиться с законами движения заряженных частиц в электрическом и магнитном полях.
2. Определить удельный заряд электрона с помощью цилиндрического магнетрона.

2.ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Магнетроном называется электровакуумное устройство, в котором движение электронов происходит во взаимно перпендикулярных электрическом и магнитном полях. Одно из применений магнетрона в том, что он является источником электромагнитного излучения СВЧ диапазона:
с частотами в интервале примерно от 109 до 1012 Гц. Магнетрон является основным элементом СВЧ печей (микроволновых печей), магнетроны широко используют в современных радиолокационных станциях.
В нашей работе магнетрон имеет самую простую конструкцию и представляет собой радиолампу-диод прямого накала, электродами которой являются коаксиальные цилиндры. Катодом является спираль по оси радиолампы, а анодом - цилиндр вокруг катода, с максимальной эффективностью собирающий эмитированные с катода электроны (рис.1). Радиолампа помещена во внешнее аксиальное магнитное поле, создаваемое соленоидом с током (Рис. 2).
Схематическое изображение устройства магнетрона (продольное сечение) представлено на рис.3. При этом силовые линии электрического поля имеют радиальное направление, а линии индукции магнитного поля совпадают с осью электродов. На Рис. 4 показано поперечное сечение радиолампы с указанием направлений векторов магнитной индукции и напряженности электрического поля . При нагревании катода лампы с его поверхности начинают вылетать электроны. Это явление называется термоэлектронной эмиссией. Эмитированные электроны движутся к аноду во взаимно-перпендикулярных электрическом и магнитном полях (Рис.4). Электрическое поле создается между катодом и анодом магнетрона источником анодного напряжения, а магнитное поле – соленоидом (цилиндрической катушкой) с током, внутри которого и находится вакуумный диод. Таким образом, электроны могут двигаться внутри цилиндрического объёма, ограниченного анодом электронной лампы.
...

3.ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
В настоящей компьютерной лабораторной работе эмулируется принцип работы лабораторной установки, представленной в данном разделе.
Установка состоит из магнетрона, представляющего собой соленоид с помещенной внутри радиолампой, электроизмерительных приборов и источников напряжения, смонтированных внутри электрического стенда. Конструктивно анод лампы имеет форму цилиндра, вдоль оси которого расположена нить накала, являющаяся катодом.
Магнетрон подключается к электрическому стенду согласно схеме (Рис. 8). Соленоид подключается к источнику постоянного напряжения в левой части стенда, где с помощью амперметра фиксируется ток соленоида. Накал лампы в данной работе фиксирован, чем поддерживается постоянная температура катода. Источник напряжения и приборы, регистрирующие параметры анодной цепи, находятся в правой части стенда.
Виртуальная лабораторная установка является программным симулятором реального лабораторного оборудования и позволяет смоделировать на персональном компьютере поведение настоящего магнетрона и получить значения измеряемых физических величин, находящиеся в соответствии с реальным экспериментом.

4. ЗАДАНИЕ
4.1 Снять зависимость анодного тока от тока соленоида.
Таблица значений анодного напряжения
Таблица значений анодного напряжения
Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0
Ua 18 19 20 21 22 18 19 20 21 22
При запуске программы открывается окно измерений для снятия зависимости анодного тока от тока соленоида (Рис.9). Вы должны установить анодное напряжение согласно своему варианту и задавать ток соленоида от 0 мА до 800 мА с шагом 80 мА, каждый раз нажимая кнопку «Вычислить». При этом в таблице справа будут появляться значения тока соленоида и анодного тока.
4.2 Построить график зависимости анодного тока от тока соленоида.
После того, как произведены ВСЕ измерения, график зависимости тока анода от тока соленоида строится автоматически при нажатии кнопки «Построить график» (рис.10). Сохраните график (сделайте скриншот) и вставьте его в отчет
4.3. Продифференцировать полученную зависимость и определить критический ток соленоида.
По графику определите критическое значение тока соленоида. Запишите полученное значение. Сохраните график (сделайте скриншот) и вставьте его в отчет.
4.4 Произведите расчет экспериментального значения удельного заряда электрона по формуле (8)
Данные для расчета приведены в окне программы (рис.12) . Число витков соленоида: N=1500. Длина соленоида: l=10 см. Радиус анода лампы равен Ra= 5 мм, магнитная постоянная: u0 = 4pi*10^-7 Гн/м. Значение тока соленоида подставляется в мА!
4.5 Определите теоретическое значение удельного заряда электрона. Значения массы электрона и величины его заряда возьмите в справочных таблицах.
4.6 Определите относительную погрешность измерений по формуле:
4.7 Сделайте вывод из работы

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Опишите действие электрических сил на электрон в магнетроне.
2. Опишите действие магнитных сил на электроны в магнетроне.
3. Изобразите направление электрического и магнитного полей в магнетроне в случае движения электронов по траекториям, изображенным на рис.5
4. Запишите второй закон Ньютона для электрона в магнетроне. Укажите направление действующих на электрон сил.
5. Выведите формулу (8) для определения удельного заряда электрона.
6. Полагая катод заряженной нитью диаметром 1 мм, оцените величину напряженности электрического поля вблизи катода (Используйте данные в лабораторной работе радиус анода, анодное напряжение).

Год сдачи 2021
Преподаватель: Моргачев Ю.В.
Оценка: зачет