Порядок выполнения

Для снятия характеристик диода собирают схему рис.4:

На этой схеме напряжение подается от батареи Б_а через К₁ на потенциометр . Напряжение на нить накала подается от батареиБ_н через ключ К₂. Изменение тока накала производится реостатом . Вольтметры и измеряют соответственные напряженияи, а миллиамперметр mA измеряет анодный ток.

1. Снятие температурной характеристики:

а) С помощью потенциометра на анод подается и в течение опыта поддерживать постоянное напряжениепорядка 70…100B (по указанию преподавателя);

б) С помощью реостата постоянно увеличивается сила тока в цепи накала через каждые 0,5В отсчитывается величина анодного тока;

в) По полученным результатам строится кривая зависимости анодного тока от напряжения в цепи накала .

рис.4

2. Снятие анодной характеристики:

а) Реостатом устанавливается напряжение накала (3В);

б) Включают анодное напряжение и изменяют его с помощью потенциометра скачками по 5В от 0 до максимальной величины (70…100В) производя замеры анодного тока по миллиамперметру;

в) По полученным данным строится кривая зависимости тока от напряжения ;

г) Аналогично снимают еще две кривых при разных напряжениях накала 3,5B и 4B. Все кривые строят на одном графике.

3. Полученные результаты занести в таблицу. (Таблица рисуется произвольно).

4. Сделать соответствующие выводы.

Контрольные вопросы

1. В чём заключается явление термоэлектронной эмиссии?

2. Против каких сил совершает электрон работу выхода?

3. При каких условиях электрон покидает поверхность металла?

4. Как устроен диод? Для чего он применяется?

5. При каком условии достигается ток насыщения?

6. В чём заключается закон “трёх вторых”?

7. Что такое температурная характеристика?

8. Что такое анодная характеристика?

Литература

1. Савельев И.В. Курс общей физики, т.2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика: Учебное пособие. – 2-е изд., перераб. – М.: Наука. Главная редакция физико–математической литературы, 1982. – 496с.

2. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1990. – 478с.

3. Кортнев А.В. Практикум по физике. /Кортнев А.В., Рублев Ю.В., Кузнецов А.М.: – М: Высшая школа, 1963. – 516с.

4. Конспект лекции.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

Определение удельного заряда электрона методом магнетрона

Цель работы: 1.Определить удельный заряд электрона.

2.Вычислить погрешность измерения.

Приборы и принадлежности: Магнетрон, вольтметр В7-22А, вольтметр, источники тока (выпрямители В1, В2).

Краткая теория

Важнейшими характеристиками электрона являются его заряд и масса. Удельным зарядом электрона называется отношение его заряда е к массе m. Траектория движения электрона в электрических и магнитных полях определяется конфигурацией этих полей и его удельным зарядом. Если структура магнитного или электрического полей задана и из опыта известна траектория движения электрона в этих полях, то величину можно найти. На этом принципе основаны многочисленные методы определения удельного заряда электрона. Одним из методов является метод магнетрона, в котором используется отклонение электрона магнитным полем.

Магнетрон – это электронная лампа с цилиндрическим анодом и расположенной на его оси нитью катода прямого накала, помещенная внутрь соленоида. Продольная ось соленоида совпадает с нитью накала. Создадим разность потенциалов U между сеткой и катодом, соединив их с источником тока. При таком расположении электродов термоэлектроны, испускаемые катодом, движутся к аноду по его радиусам. Миллиамперметр, включенный в цепь анода, покажет наличие тока. Кинетическая энергия электрона в момент прохождения сквозь сетку равна работе сил электростатического поля, действующих в пространстве между катодом и сеткой

. (1)

Следовательно, скорость движения электрона в электрическом поле равна

. (2)

При пропускании тока через соленоид внутри соленоида возникнет магнитное поле, направленное параллельно катоду. На каждый электрон будет действовать сила Лоренца.

(3)

На рис.1, представлен вид магнетрона сверху, показана траектория электрона, если вектор магнитной индукции B направлена от нас.

рис.1

Сила Лоренца действует в горизонтальной плоскости перпендикулярно направлению скоростиV и индукции магнитного поля B. В слабом магнитном поле под действием силы Лоренца траектории электронов будут слегка искривляться, что не отразится на протекании тока через лампу. Однако, подобрав соответственно величину индукции B, можно добиться того, что электроны с данной скоростью V будут циркулировать в промежутке сетка – анод, не достигая анода. Такому состоянию соответствует “прямоугольная зависимость” рис.2, кривая 1.

рис.2

В действительности, электроны, вылетающие из катода, имеют различные скорости, а распределение электронов по скоростям близко к Максвелловскому. Это приводит к размыванию зависимости кривая 2 на рис.2. По мере усиления индукции B электронный поток, достигающий анода, ослабляется постепенно: первыми исключаются наиболее медленные электроны, последними – наиболее быстрые. Плавность спада тока – следствие непрерывности распределения частиц по скоростям и свидетельствует о классическом поведении электронов в лампе.

При определении целесообразно ориентироваться на основную массу электронов, тепловые скорости которых будут близки к наиболее вероятной скорости. На плавной кривой рис.2 этой группе электронов соответствует наиболее крутой участок в области спада. При выводе рабочей формулы для определения в дальнейшем будем иметь в виду именно эту группу электронов. Расчет траектории движущегося электрона довольно сложен, но задача упрощается, если радиус нити катода мал по сравнению с радиусом анода (). В этом случае максимальная напряженность радиального электрического поля, а значит и наибольшее ускорение движущегося электрона, будут наблюдаться в промежутке катод–сетка. Дальнейший путь электрон пройдет почти с постоянной скоростью, и если электроны заперты в промежутке сетка–анод, его траектория будет близкой к окружности радиусом , где R – расстояние от сетки до анода. Силу Лоренца можно рассматривать как центростремительную

. (4)

Отсюда . (5)

Так как , то получаем . (6)

Назовем критической такую индукцию магнитного поля , при которой наблюдается резкое падение анодного тока. Тогда c учетом того, что , имеем

. (7)

Индукция магнитного поля соленоида на его оси находится по формуле

, (8)

где – общее число витков соленоида;

–сила тока, протекающего по катушке; (критический ток);

–длина соленоида;

α₂

α₁

0

L / 2

, – углы между осью соленоида и радиус–вектором, проведенным от середины соленоида к крайним виткам соленоида.

Для расчета ивоспользуемся рис.3.

рис.3

Углы исоответствуют крайним виткам соленоида и поэтому

, ,

где – средний диаметр витка соленоида;

–длина соленоида.

С учетом выражения для косинусов окончательно находим

(9)

поскольку µ в лампе равно единице.

В соответствии с 9 все величины поддаются непосредственному измерению. Критический ток соленоида можно найти по сбросовой характеристике магнетрона, представляющей зависимость анодного тока лампы от тока соленоида.

В данной работе для определения удельного заряда электрона используются электрические цепи, схемы которых приведены на рис.4

рис.4

В качестве магнетрона используется лампа 6С5С. Источником постоянного тока в цепи анода слежит выпрямитель В1, а в цепи соленоида – выпрямитель В2.