ГОУ ВПО

ДВГУПС

Кафедра “Физика”

Лабораторная работа _{На тему: “ Исследование движения заряженных частиц в магнитном поле”.}

Выполнил

***

Проверил ***

Хабаровск 2012

Цель работы:

Снять зависимость анодного тока от тока в соленоиде;

Рассчитать силу Лоренца, действующую на электрон в лампе магне­трона;

Вычислить период вращения электрона в лампе магнетрона.

Приборы и принадлежности: электронная лампа 6Е5С; вольтметр; амперметр; миллиамперметр; соленоид; выпрямитель.

Теоритическая часть

1. Сила Лоренца

Проводники с током и отдельные движущиеся заряженные частицы соз­дают электромагнитное поле. Электрическое и магнитное поля являются частными случаями единого электромагнитного поля. Основной характери­стикой электрического поля является напряженность , определяющая си­лу, действующую на единичный электрический заряд. Основная характери­стика магнитного поля - магнитная индукция , которая также определяет­ся силой, действующей на заряд в магнитном поле. Опыт показывает, что магнитное поле на неподвижные заряды не действует. Оно действует толь­ко на движущиеся заряды и на проводник с током. Электрический ток - на­правленное движение электрических зарядов. По закону Ампера на элемент проводника с током в магнитном поле действует сила

где I - сила тока, текущая по проводнику; В - индукция магнитного поля; а - угол между направлением элемента проводника с током и направлением индукции магнитного поля.

Для простоты рассуждений предположим, что в проводнике двигаются заряды одного знака - электроны «е» (рис. 1)

Электрон - элементарная частица, несущая заряд е = -1.6 • 10 ^-19 Кл, об­ладающая массой покоя m₀ =9.1*10 кг. Эту массу электрон имеет, дви­гаясь со скоростями много меньшими скорости света.

Число электронов в проводнике объемом dV = dlS обозначается dN, где dl - длина проводника; S - площадь поперечного сечения.

Электроны в проводнике имеют скорость направленного движения (рис. 1). Силу F_л , действующую на каждый электрон, можно определить, разделив результирующую силу на число электронов dN в проводнике объемом dV. Эта сила F_л называется силой Лоренца

Силу тока I можно выразить через плотность тока j

где S - площадь поперечного сечения проводника.

А плотность тока j через заряд электрона «е», концентрацию электронов в проводнике n, то есть через число электронов в единице объема провод­ника и скорость v, направленного движения электронов

Число электронов в проводнике объемом dV = dlS равно

где n - концентрация электронов в проводнике.

Подставив (1.3), (1.4) (1.5) в (1.2), получим

Следовательно, сила Лоренца, действующая на движущийся электрон, зависит от скорости направленного движения, от индукции магнитного по­ля , от синуса угла между направлением скорости электрона и направле­нием индукции

Сила Лоренца F_л является силой центростремительной

где R - радиус кривизны траектории движущегося электрона; m₀ - масса покоя электрона.

Сила Лоренца не совершает механической работы, она только изменяеп направление линейной скорости и форму траектории заряженной частицы попадающей в магнитное поле. Абсолютная величина скорости и кинетиче­ская энергия заряженной частицы при движении в однородном магнитном поле не изменяются. Максимального значения сила Лоренца достигает тогда, когда вектор скорости перпендикулярен к направлению индукции маг­нитного поля. Сила Лоренца равна нулю, если заряженная частица пере­мещается параллельно линиям индукции магнитного поля.