Магнетрон әдісі арқылы электронның меншікті зарядын анықтау

Зертханалық жұмыс № 7

Магнетрон әдісі арқылы электронның меншікті зарядын анықтау.

 

Жұмыстың мақсаты

 

-         Электронның меншікті зарядын анықтау

 

Құралдар мен жабдықтар

 

-         Әмбебаб тақта;

-         Тоқ көзі 0 – 15 В;

-         Өлшемі 200мА шектелген амперметр;

-         Өлшемі 5мА шектелген амперметр;

-         Өлшемі 2100В шектелген вольтметр;

-         «Магнетрон» миниблогі

Теориялық бөлімі

 

Электрлік және магниттік өрістердегі зарядталған бөлшектер қозғалысының сипаттамасын зерртеу көптеген жағдайларда қызықты әрі пайдалы. Біріншіден, бұл олардың негізгі сипаттамаларының бірі болатын бөлшектердің меншікті зарядтарын анықтауға мүмкіндік береді. Екіншіден, бұл құралдар мен құрылғылар қатарының қызмет етуіне негіз болатын, зарядталған бөлшектер ағынына мақсатты әсер етуге мүмкіндік береді. (осцилографтар, теледидарлар, электрондық микроскоптар, үдеткіштер және т.б.)

 

Электрлік өрістегі зарядталған бөлшектердің қозғалысы

 

Бөлшектің электронды өріс аймағындағы күш сызықтарына параллель енгендегі жағдайды қарастырайық (сурет1). Бұл жағдайда бөлшекке әсер ететін күш және бөлшектің үдеуі де электронды өрістің күш сызықтарына бойлай бағытталған. Онда күш:

, (8.1)

ал үдеу

(8.2) болады.

Сонымен, электр өріс зарядының түрімен және күш сызықтарының бағыттарына байланысты траекториясын тік сызықтай қалдырып, бөлшектің үдеуін арттырады немесе тежейді.

U потенциалдарының әртүрлілігін өткен кезде, бөлшек тыныштық күйінен V жылдамдығына дейін үдейді.сонымен қатар, өріс күшінің жұмысы

(8.3)

бөлшектің кинетикалық энергиясын жоғарылатуға жұмсалады. . (8.4)

Бұдан

(8.5)

Яғни, бөлшектің үдеуі мен жылдамдығы бұл жағдайда бөлшектің меншікті зарядымен анықталады.Енді көлденең электр өрістегі зарядталған бөлшектің қозғалысын қарастырайық.Мысалы конденсатор өрісіндегі (сурет2).бұл жағдайда бөлшекке у осімен бағытталған күш электр өрісі жағынан әсер етеді. Бұдан, бөлшектің қозғалысы х осі бойында - бір қалыпты, ал у осі бойында – бір қалыпты үдемелі болады.Бұл жағдайда бөлшек қозғалысы ауырлық күші өрісіне горизонталь лақтырылған дене қозғалысы сияқты болады, ал траектория параболаны болады.

Өрістен шығарда бөлшек ауытқып кететінθ болатын бұрышты анықтаймыз.Бөлшектің үдеу проекциясы х және у осьтерінде тең.

и . (8.6)

Бұдан интегралдау арқылы (8.6), мынаны аламыз:

(8.7)

және

, (8.8)

 

бұнда - (8.9)

 

х осі бойымен бірқалыпты қозғалысы бойынша анықталатын бөлшектің өрістегі уақыты.

Бұдан ауытқу бұрышының тангенсі:

 

. (8.10)

Яғни, бөлшек ауытқуының бұрышы электрлік өрісін бойлаған бөлшектің магниттік зарядына байланысты болады.

 

Лоренц күші

 

Магниттік өрістегі зарядталған бөлшек қозғалғанда мына формуламен анықталатын Лоренц күші әсер етеді:

. (8.11)

Мұнда Лоренц күшінің бағыты сол қол ережесімен анықталады. Егер сол қол саусақтары жағымды зарядталған бөлшек қозғалысының бағытын көрсетсе, ал магниттік индукцияның сызықтары алақанға кіретін болса, онда керлген үлкен бармақ Лорец күшінің бағытын көрсетеді.

 

 

Магниттік өрістегі зарядталған бөлшектердің қозғалысы

 

Ең алдымен, зарядталған бөлшек жылдамдығының векторы біртекті магниттік өрістегі магниттік индукцияның сызықтарына перпендикуляр болатын жағдайды қарастырайық (сурет4). Бұған қоса Лоренц күші және бөлшектің үдеуі жылдамдық векторына перпендикуляр бағытталған болады.Онда Лоренц күшінің жұмысы 0-ге тең, ал бөлшектің жылдамдығы мен энергиясы өзгермейді Жылдамдыққа перпендикуляр үдеу бұл жағдайда центрге тартылады, ал бөлшектің траекториясы радиусы (r) болатын шеңбер болады..Ньютонның 2-ші заңын қолдану арқылы

, (8.12)

анықтаймыз. . (8.13)

Көлденең магниттік өрістегі зарядталған бөлшек қозғалысы бір маңызды ерекшелікке ие: бөлшек айналысының периоды жылдамдыққа байланысты емес, яғни, бөлшек энергиясына да.

 

, (8.14)

онда, (8.13) қойып, мынаны аламыз

 

. (8.15)

 

Егер де бөлшектің бастапқы жылдамдығы магниттік өріске кез келген бұрышта бағытталса, онда бұл жағдайда жылдамдық векторын екі құраушыға бөлу қолайлы. 1. Тангенциалдық(өріске параллель)

2. Қарапайым (өріс перпендикуляр)

 

 

.

Лоренц күшінің әсерінен v_n деп белгіленетін бөлшек перпендикуляр өріс жазықтығында шеңбер бойымен қозғалады.

Өріс бағытында Лоренц күші әсер етпейді және бұл бағытта v_t жылдамдықпен бірқалыпты қозғалады.Бұл екі қозғалыстың қосылу нәтижесінде бқлшек цилиндрлік спираль бойынша қозғалады.Спираль винтінің қадамы

. (8.16)

 

       Практикалық бөлім

 

Жұмыста сізге мыналар қажет:

магнетронның анодтық тоғының тәуелділігін катушка тоғынан айыру және жеке графигін құру;

Күдікті тоқ пен магниттік индукцияның күдікті мәнін анықтау;

магнетронның катоды мен аноды арасындағы кернеуді өлшеу;

электронның меншікті зарядын есептеу;

тәжірибелік және кестелік мәнін салыстыру, өлшем қателігін бағалау.

Тәжірибе сызбасы өлшеу әдісі

 

Бұл жұмыста электронның меншікті заряды магнетронның электрлік және магниттік өрістердегі электрондардың қозғалысын зерттеу жолымен анықталады. Магнетрон – бұл электронды вакуумды лампа, бұнда катод және анод біртекті коаксиалды жүйе құрайды .Ол жүйе электронның осіне сәйкес біртекті магнит өрісінде орналасады. (сурет 6).

Қыздырылған катод электрондардың көздері болып табылады. Қыздырылған денелері бар электрондарды түсіру термоэлектронды эмиссия деп аталатынын еске сала кеткен жөн. Катод пен анод арасында U потенциал айырмашылығы болса, термоэлектрондар катодтан анодқа қарай қозғалғанда тоқ пайда болады..Соленоидтің магниттік өрісінің жоғында электрондар анод цилиндрінің радиусымен сәйкес келетің тура сызықтар бойымен қозғалады.

Егер де әлсіз магниттік өріс құрсақ, онда Лоренц күшінің әсері нәтижесінде электрондар өздерінің траекторияларын қисайтады.Бұл жағдайда, катодтан шығып кеткен барлық электрондар сонда да анодқа жетеді, яғни катод пен анод арасындағы тоқ күші өзгермейді.Бірақ, егер соленоидтің магниттік өрісінің индукциясы кейбір В_кр күдікті мәндерінен асып кетсе, онда электрондар анодқа тимейді және бұл анод тоғының кенет азаюына әкеледі(сурет 8).Шынында да термоэлектрондардың бастапқы жылдамдықтарының шашыраңқы күйінде тоқтың азаюы баяу жүреді, бірақ анодтық тоқ тезірек кемитін соленоид тоғын анықтауға болады.

 

7-ші суреттен В = В_крболған кезде электрон траекториясы қисығының радиусы анод радиусының жартысына тең, яғни

. (8.17)

(8.13)-тен (8.5) және (8.17) қатысуымен анықтаймыз:

. (8.18)

Катушканың магниттік индукциясының күдікті мәні мына формуламен анықталады:

, (8.19)

Мұнда I_кр – өрісі күдікті болатын катушка тоғы, l – катушканың ұзындығы, N – катушка орамдарының саны, k – лампаның цилиндрлік анодының экрандық әрекетінен және катушканың соңғы мөлшерінен әлсіреген магниттік өрісті ескеретін коэфффициент.

Тәжірибені орындау тәртібі

 

1.   9 суретте көрсетілгендей тізбек құрастырыңдар. (А1) катушкасындағы тоқты өлшеу үшін сол жақтағы мультиметрді қолданыңдар, онда өлшеу мөлшерін 200мА деп орнатыңдар, ал (А2) анодтық тоқты өлшеу үшін оң мультиметрді қолданып, өлшеу мөлшерін 5мА орнатыңдар.

Сур.9

 

2. Кернеу генераторының блогын қосыңдар және тұрақты кернеу реттегішімен катушкадағы 1-ші тоқ мәнін 100мА етіп орнатыңдар. Катушкадағы ток мәнін және анодтық тоқ мәнін 1-ші кестеге жазыңдар. Таблица 1

	100	110	120	130	140	150	160	170	180	190

 

3.   Катушкадағы тоқты мүмкін болатын максималды мәнге дейін арттыра отырып тәуелділіктің мәндерін алып, графигін құрыңдар.

4.   Анодтық тоқ тезірек азаятын катушкадағы күдікті() тоқ мәнінграфик бойынша анықтаңдар.=….. А.

5.   Катушкадағы күдікті тоқ кернеуін реттегішпен орнатыңдар, өлшеңдер және лампаның аноды мен катоды арасындағы кернеу мәнін жазыңдар. Бұл үшін қажет:

-       Мультиметрлердің біреуін ажыратыңыз;

-       Терілетін өріске оның орнына қою;

-       Мультиметрді тұрақты кернеуін өлшеу режиміне ауыстыру;

-       оны лампаның катоды «СОМ» кіруіне жалғау, ал «V» кіруін лампаның анодына жалғау қажет.

U = ….. В.