Методика выполнения работы

Цели работы: изучение конструкции и физических принципов работы вакуумного диода; исследование влияния электрических и магнитных полей на движение электронов в вакууме; определение удельного заряда электрона.

Приборы и принадлежности: магнетронный блок; источник постоянного регулируемого анодного напряжения U_А ; источник постоянного регулируемого напряжения цепи соленоида U_L; источник постоянного регулируемого напряже­ния цепи накала U_н ; электронный миллиамперметр (mA); электронный вольтметр (V); соединительные провод­ники.

Схема опыта

Описание установки: изучение влияния магнитного поля на анодный ток вакуумного диода проводится при помощи магнетронного блока. Магнетронный блок представляет собой длинный соленоид L с находящимся внутри соленоида вакуумным диодом VD. Конструкция магнетронного блока (вид сверху) дана на рис. 2.14: 1 – соленоид с током; 2 – корпус диода; 3 – анод; 4 – катод.

Источником питания анодной цепи диода служит стабилизированный источник U_А, изменение анодного напряжения производится ручками регулировки выходного напряжения источника. Питание цепи соленоида производится от регулируемого источника напряжения U_L. При протекании тока I в соленоиде возникает однородное магнитное поле, индукцию которого можно рассчитать по формуле длинного соленоида:

(2.20)

где m₀ - магнитная постоянная СИ; I – сила тока в соленоиде; N – количество витков соленоида; l – длина соленоида.

Из соотношений (2.18) и (2.20) можно получить формулу для расчета искомого отношения заряда электрона к его массе по значению критического тока I_кр соленоида

(2.21)

Порядок выполнения работы

1. Перед включением источников питания установите ручки регулировки выходного тока и напряжения в крайнее левое положение. Включите источники и после двухминутного прогрева приступайте к измерениям.

2. Регулировкой выходного напряжения источника U_А установите максимальную силу анодного тока I_А ≈ 450-500 мкА. С помощью вольтметра измерьте анодное напряжение.

3. Регулировкой выходного напряжения и тока источника U_L установите силу тока в цепи соленоида I = 0,4 А. Измерьте значение анодного тока I_А.

4. Изменяя значения тока соленоида через ~ 0,05 А, повторяйте измерения анодного тока I_А до достижения максимального тока соленоида I » 1,0 А. При проведении измерений проверяйте значение анодного напряжения, оно должно оставаться постоянным, при изменении значения U_А необходимо провести его регулировку. Данные эксперимента внесите в табл. 2.3.

Таблица 2.3

5. По данным эксперимента постройте график зависимости анодного тока от тока соленоида I_А(I).

6. Определите по графику критическое значение тока соленоида I_кр, соответствующего точке наиболее крутого спада анодного тока (точке перегиба исследуемой функции).

7. По формуле (2.21) рассчитайте отношение заряда электрона к его массе и сравните полученный результат с табличным значением (заряд и массу электрона необходимо взять из таблицы физических постоянных).

Дополнительные данные к расчету: число витков соленоида N = 2000; радиус анода r_A = 6 мм; радиус катода r_К = 4 мм. Длину соленоида измерьте при помощи линейки.

Контрольные вопросы

1. Конструкция вакуумного диода с термокатодом; физические явления; на которых основана работа вакуумного диода; вольт-амперная характеристика диода.

2. Движение электронов в радиальном электрическом поле диода; расчет максимальной скорости электронов.

3. Влияние магнитного поля на движение электронов в вакуумном диоде. Траектории электронов в слабых, средних и сильных магнитных полях. Критическое магнитное поле.

4. Почему при достижении критического значения магнитной индукции анодный ток диода не уменьшается до нуля? Какие физические процессы приводят к потере энергии электронами, движущимися в межэлектродном пространстве диода?

5. Объясните причину возникновения наведенных токов.

6. Объясните причину возникновения магнетронного излучения. В каких приборах применяется магнетронное излучение?

7. Какой характер носит движение электронов в вакуумном диоде в сильных магнитных полях В В_кр с учетом потери их кинетической энергии?

8. Какой характер носит движение электронов в вакуумном диоде в сильных магнитных полях при В В_кр ?

Список литературы

1. Савельев И. В. Курс общей физики: В 5 кн.: Кн. 2: Электричество и магнетизм: Учеб. пособие. – М.: Астрель, 2003. С. 246-258.

2. Астайкин А. И., Воронина Л. В., Липатов А. Ф., Профе В. Б. Приборы физической электроники: Учеб. пособие. – М.: Высш. шк., 2008. С. 120-132.

3. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Механика. Электродинамика: Учеб. пособие. – М.: Наука, 1969. С. 175-177.

4. Курс физики: Учебник для вузов: В 2 т. Т. 2/ Под ред. В.Н. Лозовского. – СПб.: Лань, 2000. – С. 311-324.

РАЗДЕЛ 3