Книга: Электричество и магнетизм

.

Подставляя вместо Т  его выражение (4) , имеем

                                            (5)

Рассмотрим случай, когда углы α невелики ( cosα≈1). В этих условиях можно записать     

.                                                          (6)

Таким образом, путь, пройденный электроном в магнитном поле за один оборот, не зависит от угла α (для малых углов). Из этого следует, что все электроны, вышедшие из одной точки под небольшими, но разными углами к магнитному полю, после одного оборота вновь соберутся в одной точке (сфокусируются). Положение фокуса меняется при изменении величины магнитной индукции В. Для осуществления эксперимента электроны разгоняются в электрическом поле с разностью потенциалов U и приобретают кинетическую энергию   

mυ2/2 = eU                                                (7)

Из формул 6 и 7 можно найти соотношение для определения удельного заряда электрона:

e/m = 8π2U/h2B2        (8)

Магнетрон.

Магнетрон представляет собой двуэлектродную лампу, содержащую накаливаемый катод и холодный анод и помещаемую во внешнее магнитное поле. Это поле создается либо катушками с током, либо электромагнитом, между полюсами которого помещается магнетрон.

На практике применяют цилиндрические магнетроны. Их анод представляет собой металлический цилиндр, а катод имеет также цилиндрическую форму и расположен на оси анода. Пути электронов в цилиндрическом магнетроне имеют  сложную форму; они изображены на рис 4. Для каждого данного напряжения U между катодом и анодом существует некоторое критическое значение магнитной индукции Вк, при котором траектории электронов как раз касаются поверхности анода. Если В<Вк, то все электроны доходят до анода и ток через магнетрон имеет то же значение, что и без магнитного поля. Если же В>Вк ,то ни один электрон не достигает анода и ток через лампу равен нулю. Соответствующий расчет показывает, что критическое значение магнитной индукции в цилиндрическом магнетроне определяется выражением

,                                     ( 9)

где a- радиус катода, b- радиус анода. Отметим  также, что значение Bк не изменяется под действием пространственного заряда и имеет одно и тоже значение как в режиме насыщения, так и в режиме пространственного заряда.

Подобные измерения приводят  к тем же значениям e/m для термоэлектронов, что и найденные по методу магнитной фокусировки, а также другими способами.

До сих пор мы предполагали, что все электроны покидают катод с начальной скоростью  равной нулю. В этом случае при В<Bкр  все электроны, без исключения, попадали бы на анод, а при В>Вкр  все они не достигали бы анода. Анодный ток Iа  c увеличением магнитного поля изменился бы так, как это показано на рис. 5 штриховой линией.

      Если магнитное поле создаётся с помощью соленоида, то индукция магнитного поля В пропорциональна току соленоида I. В этом случае определяют зависимость анодного тока лампы Iа от тока соленоида I и строят график Iа=f(I), который называется сбросовой характеристикой. По этому графику, аналогичному изображённому на рис.5, определяют критический ток Iкр, а затем вычисляют критическое поле Вкр .

Устройство газоразрядной трубки и принцип получения видимого электронного пучка

 Газоразрядная трубка с накаливаемым катодом служит для получения видимого электронного пучка. Внутри газоразрядной трубки, имеющей форму шара, находится система электродов , называемая электронной пушкой, для получения и фокусировки потока электронов.

В электронную пушку входит накаливаемый катод К, модулятор Мод и анод А.(Рис. 6)

Эмитируемые раскалённым  катодом электроны ускоряются электрическим полем и, за счёт определённой формы электрического поля между катодом, модулятором и анодом, собираются в электронный пучок.

Для получения видимого электронного пучка и дальнейшей фокусировки электронов служит водород, поступающий из водородного генератора, который находится рядом с электронной пушкой. Водородный генератор представляет собой полый цилиндр из гидрида титана, внутри которого расположена нить накала.

При обычных температурах водородный генератор поглощает большое количество водорода, а при нагревании отдаёт его обратно. В зависимости от температуры накала водородный генератор выделяет в трубку такое количество водорода, которое способствует газовой фокусировке электронов. Суть газовой фокусировки заключается в следующем: электроны, вылетевшие с катода и ускоренные электрическим полем, ионизируют атомы водорода. Образующийся положительный заряд ионов за счёт кулоновских сил притяжения компенсирует силы отталкивания между электронами, удерживая их в узком пучке.

Для создания магнитного поля  применяются катушки Гельмгольца. Они располагаются так, что электронный пучок находится в области однородности магнитного поля катушек.

         Соответствующие расчеты для определения удельного заряда электрона дают формулу вида:  

                                                        (10)

где  - ускоряющее напряжение на аноде.,  - радиус окружности, по которой движутся электроны, B- индукция магнитного поля.

Экспериментальные установки

1.  Метод магнитной фокусировки

Установка для эксперимента смонтирована на основе осциллографа ЭО-6. Для генерирования электронов, движущихся под малыми углами  к оси электронного пучка, используется электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) с малым диаметром экрана. ЭЛТ помещается в соленоид (рис.7), который создает магнитное поле, параллельное оси ЭЛТ. Питание соленоида осуществляется от источника постоянного тока напряжением 30-50 вольт.

Клеммы соленоида выведены на переднюю панель осциллографа.

Ток соленоида устанавливается реостатом и измеряется амперметром. Индукция магнитного поля на оси соленоида определяется по формуле:

B=μ0NI/2L  (cosφ1  -cosφ2),                                   (11)

где N и L –число витков и длина соленоида соответственно, а φ1 и  φ2- углы, показанные на рисунке 7. Как видно из рисунка:

Тогда формула 11 перепишется в виде:

                                                                    (12) 

  2.  Метод магнетрона

    В настоящей работе для определения удельного заряда электрона используется магнетрон с цилиндрическими катодом и анодом. Радиус катода а=0.9 мм, анода-b=9,6 мм. Cхема включения лампы приведена на рис.8.

Лампа помещена внутрь соленоида. Питание соленоида осуществляется от источника постоянного тока.

3.Газоразрядная трубка.

Для питания электронной пушки и водородного генератора  газоразрядной трубки служит источник  постоянного тока ВУП-2 (включение через октаэдный разъем). Для создания однородного магнитного поля на катушки Гельмгольца подается напряжение от источника постоянного тока ИЭПП-1. Ток, подаваемый на катушки Гельмгольца, контролируется амперметром и вольтметром.

Проведение эксперимента

 Определение удельного заряда электрона методом магнитной фокусировки

1.  Собрать схему питания соленоида по рис. 7.

2.  Включить осциллограф в сеть переменного тока и получить на экране трубки светящееся пятно.

3.  Включить питание соленоида, и постепенно увеличивая ток, добиться того, чтобы изображение на экране стянулось в точку. При этом шаг винта движения электронов будет равен расстоянию  ℓ от центра пластин до экрана трубки. Записать значение тока, текущего при этом через соленоид.

4.  По формуле 12 вычислить магнитную индукцию В, а по формуле 8 – удельный заряд электрона.

5.  Формула 8 справедлива для случая, когда электроны проходят 1 виток спирали. Если в опыте, после первой фокусировки электронов, увеличивать ток соленоида, на экране изображение будет размываться, а затем снова соберется в светящуюся точку и так далее. Второе прохождение электронов под влиянием магнитного поля через фокус происходит в том случае, когда электроны на пути от отклоняющих пластин к экрану проходят 2 витка спирали. Плавно увеличивая ток, получит вторую и третью фокусировки пучка электронов на экране, записать значение токов. Для каждого случая вычислить магнитную индукцию и удельный заряд, учитывая изменения шага винта движения электронов.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29