3

№3 Электрон зарядының оның массасына қатынасын

магнетрон әдісімен анықтау

3.1. Жұмыстың мақсаты: магнетрон әдісімен электронның меншікті зарядын анықтау.

3.2. Қысқаша теориялық мәліметтер

Магнит өрісінде қозғалатын зарядталған бөлшекке магниттік деп аталатын күш әсер етеді:

мұндағы - бөлшек заряды; -оның жылдамдығы; - магнит өрісінің индукциясы. Осы күш және векторлары жататын жазықтыққа перпендикуляр бағытталған болады. Магниттік күштің модулі

мұндағы - мен векторлары арасындағы бұрыш.

Егер бір мезгілде электр және магнит өрісі бар болса, онда зарядталған бөлшекке әсер ететін күш Лоренц күші деп аталады және ол былай анықталады:

мұндағы - электр өрісінің кернеулігі.

3.3. Өлшеу әдісі

анықтаудың әр түрлі әдістері бар. Бұлардың негізіне электронның электр және магнит өрістеріндегі қозғалысын зерттеу нәтижелері алынған. Осы әдістердің бірі – магнетрон әдісі. Әдістің бұлай аталуы, мұндағы өрістердің конфигурациясы магнетрондар – аса жоғары жиілікті электромагниттік тербелістер генераторларындағы өрістер конфигурациясына ұқсас болуына байланысты. Әдістің мәнісі мынада: электродтары коаксиалды цилиндрлер болатын арнайы екі электродты электрондық лампа соленоид ішіне, лампа осі соленоид осімен дәлдестіріліп, орналастырылады. Лампаның катодынан ұшып шығатын электрондар соленоидта ток болмаған жағдайда анодқа радиал бағытта қозғалады. Соленоидқа ток берілгенде лампа осіне параллель магнит өрісі туғызылады да электрондарға магниттік күш

(1)

әсер етеді, мұндағы - электрон зарядының шамасы; - электрон жылдамдығы; - магнит өрісінің индукциясы.

Әрбір уақыт мезетінде жылдамдық векторына перпендикуляр бағытталған осы күштің әсерінен электронның траекториясы қисаяды. Электрон жылдамдығы мен магнит өрісі индукциясы арасындағы қатынас белгілі шамаға жеткенде электрондар анодқа жетпейтін болады да лампадағы ток тиылады.

1 – сурет. Магнит өрісінде орналасқан лампадағы электрондардың қозғалысы (электронды лампаның көлденен қимасы), К-катод, А-анод, Т-тор.

Лампадағы электрондардың қозғалысын магнит өрісі бар жағдайды толығырақ қарастырайық. Осы қозғалысты бейнелеу үшін координаттардың цилиндрлік жүйесін қолданамыз яғни лампаның көлденен қимасы (1 – сурет). Осы жүйеде элетронның орны оның лампа осінен қашықтықпен, полярлық бұрышпен және осі бойымен ығысуымен анықталады. Радиалдық құраушысы ғана бар электр өрісі электронға катодтан анодқа қарай радиус бойымен бағытталған күшпен әсер етеді. Электронға әсер ететін магниттік күштің осіне параллель құраушысы болмайды. Сондықтан катодтан бастапқы жылдамдықсыз ұшып шығатын электрон (катод температурасымен анықталатын электрондардың бастапқы жылдамдықтары, бұлардың лампаның электр өрісінде қозғалғанда қабылдайтын жылдамдықтарынан көп кіші болады) осіне перпендикуляр жазықтықта қозғалады. осіне қатысты электронның импульс моменті мынаған тең

(2)

мұндағы - жылдамдықтың радиусқа перпендикуляр құраушысы.

Электронға осіне қатысты әрекет ететін күштердің моменті магниттік күштің -ге перпендикуляр құраушысымен ғана анықталады. Электрлік және магниттік күштің радиус бойымен бағытталған құраушысы осіне қатысты момент туғызбайды. Сонымен

(3)

мұндағы - электрон жылдамдығының радиалдық құраушысы.

Моменттер теңдеуіне сәйкес

(4)

осіне (4)-ті проекциялап, мынаны аламыз

немесе

(5)

(5) теңдеуін интегралдаймыз:

Тұрақтыны бастапқы шарттардан табамыз: болғанда ( - катод радиусы) . Онда

және

(6)

Электронның кинетикалық энергиясы электр өрісі күштерінің жұмысына тең:

(7)

мұндағы - өрістің электрон тұрған нүктесінің катодқа қатысты потенциалы.

(6)-дан мәнін (7)-ге қойып, мынаны аламыз

(8)

Магнит өрісі индукциясының, сындық деп аталатын, қайсыбір мәнінде, электронның анод маңындағы жылдамдығы радиусқа перпендикуляр болады, яғни болады. Сонда (8) теңдеуі мына түрге келеді.

мұндағы - анодтың катодқа қатысты потенциалы (анодтық кернеу);

- анод радиусы.

Осыдан электронның меншікті заряды үшін өрнекті табамыз:

(9)

ұзындығы диаметрмен шамалас соленоидтың магнит өрісінің индукциясы мына формула бойынша анықталады.

(10)

мұндағы - магниттік тұрақты; - соленоидтың бірлік ұзындығына келетін орам саны.

(анод радиусы)=6 мм

(катод радиусы)=0.3 мм

(соленоидтың орам саны)=2056

(соленоид орамының ұзындығы)=167 мм

(соленоидтың орташа диаметрі)=62 мм

2 – сурет. Анодтағы ток шамасының магнит өрісі индукциясы шамасына тәуелділігі

Сонымен, -ді экспериментте анықтап, шамасын есептеуге болады. –ді табу үшін лампада анод пен катод арасына потенциалдар айырымын беріп және соленоидты токка қосып, оны біртіндеп арттыру керек, бұл лампадағы магнит өрісін өсіреді. Егерде катодтан барлық электрондар нолге тең жылдамдықпен шығатын болса, онда анодтық ток шамасының магнит өрісі индукциясы шамасынан тәуелділігі 2-суретте көрсетілгендей болар еді (пунктир сызық). Осы жағдайда болғанда катодтан шыққан электрондардың бәрі анодқа жеткен болар еді, ал болғанда электронның біреуі де анодқа түспеген болар еді. Бірақта катод пен анодтың коаксиалдық біраз ауытқуы, лампада қалдық газдың болуы, катод бойындағы кернеудің түсуі, соленоид өрісінің анодтың биіктігі бойынша біртекті болмауы және т.т. сындық шарттар әртүрлі электрондар үшін - ның әр түрлі мәндерінде алынуын туғызады.

Дегенмен қисықтың сынуы жеткілікті айқын болады және оны анықтау үшін пайдалануға болады.

3.4. Жұмыстың орындалу реті

1. Құрылғының электрлік схемасын жинау керек (3 - сурет)

3 – сурет. Электронның меншікті зарядын анықтауға арналған қондырғының принциптік схемасы

4 – сурет. Қондырғының электрлік схемасы

2. Мұнда ҚК (қоректендіру көзі) немесе ИП (источник питания) ИП-ның вольтметрі бойынша анодтық кернеуді етіп алыңыз.

3. Анодтық кернеу тұрақты болғанда соленоидтағы токты минимум (бастапқы) мәнінен максимум (соңғы) мәніне дейін 0,1 А-ден өзгертіп отырып, түсу сипаттамасын, яғни анодтық токтың соленоид тоғынан тәуелділігін алу керек. РА миллиамперметр бойынша анықталатын анодтық ток мәндерін және ҚК амперметрінің көрсетулері бойынша анықталатын соленоидтағы ток мәндерін 1-кестеге жазыңыз.

4. 2 және 3 тапсырмаларын анодтық кернеудің басқа екі мәндерінде (50 В-тан үлкен, мысалы 60 В және 70 В) қайталаңыз. Өлшеу нәтижелерін 1-кестеге жазыңыз.

5. Анодтық кернеудің әрбір мәні үшін ординат осі бойынша анодтық ток

мәндерін, ал абсцисса осі бойынша соленоидтағы ток мәндерін салып, түсу сипаттамасын алыңыз. Соленоидтағы токтың сындық мәнін табу үшін өзара қиылысқанға дейін түсу сипаттамасының оның төмендеу бөлігінде жанаманы және анодтық токтың минимум мәндерінің өзгерісіне сәйкес келетін түзуді жүргізу керек (5-суретте көрсетілгендей). Алынған мәндерін 2-кестеге жазыңыз.

5 – сурет. Түсу сипаттамасы және оны тұрғызу үлгісі

6. Соленоидтағы токтың әрбір сындық мәні үшін (10) формула бойынша магнит өрісінің индукциясын есептеңіз.

7. шамасын (9) формула бойынша соленоидтағы өрістің әрбір

сындық мәні үшін есептеңіз және оның орташа мәнін анықтаңыз.

8. Алынған шамасының қателігін есептеңіз.

1 - кесте

2 - кесте

3.5. Бақылау сұрақтары

1. қатынасын анықтау үшін магнетрон әдісінің мәні-мен мағынасы неде?

2. шамасына соленоидтағы токтың бағытын қарама-қарсыға өзгерту ықпал ете ме?

3. шамасы анодтың кернеу шамасына тәуелді ме?

4. Электронның біртекті магнит өрісіндегі қозғалысын екі жағдайда:

а) электрон жылдамдығы ; б) электрон жылдамдығы өріске бұрышпен бағытталған жағдайларды қарастырыңыз.

3.6. Әдебиет

1. Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм. – М.: Мир и образование, 2005.

2. Козлов В.И. Общий физический практикум. Электричество и магнетизм. – М.: изд. МТУ, 1987.

3. Иродов И.Е. Основные законы электромагнетизма. – М.: Высшая школа, 1991.

4. Архипов Ю.В. Ахметов Е.А. и др. Общий физический практикум.

Электричество и магнетизм. – Алматы: Қазақ университеті, 1999.

5. Жеребцов И.П. Основы электроники. – л.: Энергоатомиздат, 1989.

7