ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА МЕТОДОМ МАГНЕТРОНА (Решение → 15479)

Заказ №39164

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА МЕТОДОМ МАГНЕТРОНА

Решение

1. Теоретические сведения Основные понятия и законы 1.1. Магнитное поле и его характеристики Магнитное поле – одна из форм электромагнитного поля, релятивистский эффект электрического поля. Магнитное поле создаётся (порождается) током заряженных частиц, или изменяющимся во времени электрическим полем (током смещения), или собственными магнитными моментами частиц. Магнитное поле действует только на движущиеся заряды. Оно обладает энергией, которая проявляет себя в виде электромагнитных сил, действующих на отдельные движущиеся электрические заряды (электроны и ионы) и на их потоки, т. е. электрический ток. Под влиянием электромагнитных сил движущиеся заряженные частицы отклоняются от своего первоначального пути. Основными характеристиками магнитного поля являются магнитная индукция и напряженность. Механическое действие, которое магнитное поле оказывает на другие тела, можно характеризовать вектором силы, а само поле – векторной физической величиной, называемой магнитной индукцией, которая позволяет определить эту силу. Магнитная индукция обозначается буквой , измеряется в теслах (Тл). Индукция магнитного поля – векторная физическая величина, численно равная силе, действующей в однородном магнитном поле на проводник единичной длины с единичной силой тока, расположенный перпендикулярно магнитным силовым линиям. 1Тл – индукция однородного магнитного поля, в котором на проводник длиной 1м с током в 1А, расположенный перпендикулярно магнитным силовым линиям, действует сила 1Н. Магнитная индукция является основной силовой характеристикой магнитного поля. Индукция магнитного поля может быть определена в любой точке пространства и в любой момент времени: . Направление вектора магнитной индукции задается направлением магнитной стрелки, помещенной в данную точку поля. Оно Рис.1. совпадает с направлением, которое указывает северный полюс стрелки (рис. 1). Модуль вектора можно определить с помощью силы, действующей на движущийся свободный заряд или проводник с током, где заряды перемещаются вдоль проводника, а также с помощью момента сил, действующих на рамку, по которой течет ток (рис. 2). Магнитное поле в макроскопическом описании представлено двумя различными векторными полями, обозначаемыми, как и , где – напряженность, – индукция магнитного поля. Для однородной изотропной среды вектор магнитной индукции связан с вектором напряженности следующим выражением: , А/м, где – магнитная постоянная, – безразмерная величина – магнитная проницаемость среды, которая показывает, во сколько раз индукция магнитного поля в среде больше индукции в вакууме (в вакууме ): Магнитная проницаемость зависит только от свойств среды, в которой создаётся магнитное поле. Напряженность не зависит от магнитных свойств среды, но учитывает влияние силы тока и формы проводников на интенсивность магнитного поля в данной точке пространства. Однако, вектор является важной, но вспомогательной характеристикой магнитного поля. Основной характеристикой магнитного поля всё же является вектор . 1.2. Сила Лоренца Магнитное поле проявляется в воздействии на магнитные моменты частиц и тел, на движущиеся заряженные частицы (или проводники с током). Силой Лоренца – называется сила, действующая на движущуюся в магнитном поле электрически заряженную частицу. Рис. 2. Она пропорциональна заряду частицы , составляющей скорости , перпендикулярной направлению вектора магнитного поля , и величине индукции магнитного поля B. В СИ сила Лоренца выражается так: , где квадратными скобками обозначено векторное произведение (рис.3). Взаимное расположение векторов , , , и модуль силы Лоренца численно равен площади параллелограмма, построенного на векторах и помноженной на заряд . В случае однородного магнитного поля сила Лоренца равна: , где: – заряд частицы, – скорость частицы, – магнитная индукция поля, – угол между вектором скорости и вектором магнитной индукции. Направление силы Лоренца определяется по правилу левой руки (рис.4, 5): Если поставить левую руку так, чтобы перпендикулярная скорости составляющая вектора индукции входила в ладонь, а четыре пальца были бы расположены по направлению скорости движения положительного заряда (или против направления скорости отрицательного заряда), то отогнутый большой палец укажет направление силы Лоренца. Полная сила При движении заряженной частицы в электромагнитном поле на неё будут действовать и электрическое, и магнитное поле, а полная сила есть сумма сил со стороны первого и второго: Рис. 3. Рис.4. Рис.5. , где: – напряжённость электрического поля, – сила действующая со стороны магнитного поля (сила Лоренца), – сила, действующая со стороны электрического поля. Свойства силы Лоренца 1. Сила Лоренца направлена перпендикулярно векторам и (рис. 3, 4). 2. Для силы Лоренца, так же как и для сил инерции, третий закон Ньютона не выполняется. 3. При движении заряженной частицы в магнитном поле сила Лоренца работы не совершает, (т.е. не изменяет величину скорости заряда и его кинетическую энергию). 4. Макроскопическим проявлением силы Лоренца является сила Ампера. (Так как электрический ток представляет собой упорядоченное движение зарядов, то действие магнитного поля на проводник с током есть результат его действия на отдельные движущиеся заряды). Частные случаи 1. Если заряженная частица движется параллельно силовым линиям магнитного поля, то , и заряд в магнитном поле движется равномерно и прямолинейно. 2. В однородном магнитном поле, направленном перпендикулярно вектору скорости, под действием силы Лоренца заряженная частица будет равномерно двигаться по окружности постоянного радиуса (рис. 6). Сила Лоренца в этом случае является центростремительной силой: Рис. 6. . 1.3. Магнетрон Магнетрон – это мощная электронная лампа, генерирующая микроволны при взаимодействии потока электронов с магнитным полем. В простейшей конструкции многорезонаторного магнетрона (рис. 7) анодный блок представляет собой массивный медный цилиндр с центральным круглым сквозным отверстием и симметрично расположенными сквозными полостями (от 8 до 40 мм), выполняющими роль объёмных резонаторов. Каждый резонатор соединяется щелью с центральным отверстием, в котором расположен катод. Резонаторы образуют кольцевую колебательную систему. Такая система имеет не одну, а несколько резонансных частот, при которых на кольцевой колебательной системе укладывается целое число стоячих волн. Электроны эмитируются из катода в пространство взаимодействия, где на них воздействует постоянное электрическое поле анод-катод, постоянное магнитное поле и поле электромагнитной волны. Если бы не было поля электромагнитной волны, электроны бы двигались в скрещённых электрическом и магнитном полях по сравнительно простым кривым: эпициклоидам (кривая, которую описывает точка на круге, катящемся по наружной поверхности окружности большего диаметра, в конкретном случае – по наружной поверхности катода). При достаточно высоком магнитном поле (параллельном оси магнетрона) электрон, движущийся по этой кривой, не может достичь анода (по причине действия на него со стороны этого магнитного поля силы Лоренца), при этом говорят, что произошло магнитное запирание диода. В режиме магнитного запирания некоторая часть электронов движется по эпициклоидам в пространстве анод-катод. Под действием собственного поля электронов, а также статистических эффектов (дробовой шум) в этом электронном облаке возникают неустойчивости, которые приводят к генерации электромагнитных колебаний, эти колебания усиливаются резонаторами. Электрическое поле возникшей электромагнитной волны может замедлять или ускорять электроны. Если электрон ускоряется полем волны, то радиус его циклотронного движения уменьшается и он отклоняется в направлении катода. При этом энергия передаётся от волны к электрону. Если же электрон тормозится полем волны, то его энергия передаётся волне, при этом циклотронный радиус электрона увеличивается и он получает возможность достигнуть анода.