Контрольные вопросы

1. Поляризация диэлектриков.

2. Электронная теория поляризованного диэлектрика. Диэлектрическая проницаемость и диэлектрическая восприимчивость.

3. Сегнетоэлектрики и их свойства.

4. Диэлектрический гистерезис в сегнетоэлектриках, петля гистерезиса, точка Кюри.

5. Как получить петлю гистерезиса на экране осциллографа.

6. Природа сегнетоэлектрических свойств.

7. Практическое применение сегнетоэлектриков.

8. Описание экспериментальной установки и теория данного метода.

Литература, рекомендуемая к лабораторной работе:

1. Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм.- М.: Высшая школа, 1983.

2. Калашников С.Г. Электричество. - М.: Наука, 1977.

3. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2, Т. 3. - М.: Наука, 1977.

4. Телеснин Р.В., Яковлев В.Ф. Курс физики. Электричество.-М.: Просвещение, 1970.

5. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.3. Электричество.- М.: Физматлит МФТИ, 2002.

6. Зильберман Г.Е. Электричество и магнетизм. - М.: Наука, 1970.

7. Парсел Э. Курс физики Т.2 Электричество и магнетизм - М.: Наука, 1971.

8. Рублев Ю.В., Куценко А.Н., Кортнев А.В. Практикум по электричеству. - М.: Высшая школа, 1971.

9. Кортнев А.В., Рублев Ю.В., Куценко А.Н.. Практикум по физике. - М.: Высшая школа, 1965.

10. Руководство к лабораторным занятиям по физике. Под редакцией Л.Л. Гольдина, - М.: Наука, 1983.

ИЗУЧЕНИЕ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

Цель работы:

Ознакомление с основными количественными характеристиками магнитных полей и методами их измерения. Определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли с помощью тангенс- гальванометра.

Идея эксперимента:

В случае простейших конфигураций (прямой ток, тороид, бесконечной длины соленоид) значение напряженности магнитного поля легко находится с помощью теоремы о циркуляции Н, в более сложных случаях (соленоид конечной длины и др.) расчет Н затруднителен. Поэтому в ряде случаев удобнее экспериментально определить В, а затем рассчитать Н. Величину магнитной индукции В можно измерить различными способами или непосредственно прибором, называемым тесламетром (рис 4.)

Теоретическая часть

Экспериментально установлено, что в пространстве, окружающем токи и постоянные магниты, возникает силовое поле, называемое магнитным. Наличие магнитного поля обнаруживается по силовому действию на внесенные в него проводники с током или постоянные магниты. Магнитное поле в данной точке может быть охарактеризовано вектором магнитной индукции В и вектором напряженности Н, которые связаны соотношением

В= ??₀Н

где ?₀= 4?· 10^-7 Гн/м - магнитная постоянная, ? - магнитная проницаемость вещества, показывающая во сколько раз магнитная индукция в данной среде больше магнитной индукции в вакууме.

Магнитное поле обладает следующими свойствами:

· магнитное поле действует только на движущиеся в этом поле электрические заряды:

· магнитное поле подчиняется принципу суперпозиции В=?В_i

· магнитное поле является вихревым, т.е. линии магнитной индукции всегда замкнуты и охватывают проводники с током.

Количественно магнитные поля можно рассчитать по закону Био-Савара-Лапласа:

,

где I - сила тока, dl - вектор, по модулю равный длине элемента проводника и совпадающий по направлению с током, r -радиус вектор, проведенный из элемента проводника dl в точку поля, в которой определяется В.

Магнетизм Земли.

Земля представляет собой огромный шаровой магнит. Хотя магнетизм Земли в течение уже нескольких тысячелетий использовался для определения сторон света с помощью магнитных стрелок, лишь в 1600 г. Уильям Гильберт научно доказал, что Земля - магнитный диполь. Строгую теорию геомагнетизма и методы магнитных измерений разработали в 30-е годы XIX века Карл Гаусс и Вильгельм Вебер.

В любой точке пространства, окружающего Землю, обнаруживается действие магнитных сил. Форма силовых линий магнитного поля Земли показана на рис.1 Северный магнитный полюс Земли находится в южном полушарии и имеет координаты 78 ю. ш. и 111 в. д., а южный магнитный полюс располагается в северном полушарии и имеет координаты 78 с. ш. и 69 з. д.. Эти значения непостоянны, так как со временем магнитные полюсы и ось меняют своё положение. Из сказанного следует, что магнитные полюса планеты смещены относительно географических полюсов более чем на 2000 км каждый. Это расстояние с годами возрастает по неизвестным науке причинам (в 1600 году оно составляло всего 1300 км).

Угол между горизонтальной составляющей вектора В и плоскостью географического меридиана называется магнитным склонением ? и измеряется при помощи деклинаторов. В результате неоднородности земного магнитного поля его вектор индукции на экваторе направлен строго горизонтально, на магнитных полюсах - вертикально, а на всех остальных широтах - под некоторым углом к горизонту. Этот угол называется магнитным наклонением ?, которое измеряется посредством инклинаторов.

Существование магнитного наклонения приводит к тому, что северный полюс магнитной стрелки, подвешенной в северном полушарии, располагается несколько ниже южного полюса, а в южном полушарии - наоборот (на глаз это незаметно). Такую ориентацию можно описать векторной суммой горизонтальной и вертикальной составляющих вектора индукции магнитного поля Земли (рис. 2). Вертикальную составляющую этого поля измеряют при помощи упомянутого выше инклинатора, а горизонтальную - при помощи тангенс-гальванометра. В стрелочном инклинаторе главной частью является магнитная стрелка с горизонтальной осью, проходящей через центр тяжести стрелки. Если вертикальную плоскость качания стрелки совместить с плоскостью магнитного меридиана, магнитная ось стрелки устанавливается по направлению вектора напряженности магнитного поля. Магнитное наклонение отсчитывается по вертикальному кругу с делениями. Более точные индукционные инклинаторы позволяют измерить наклонение с точностью до 0,1?. В таком приборе индукционная катушка вращается вокруг оси, лежащей в плоскости ее витков. Прибор дает возможность ориентировать ось в любом направлении. Если она не совпадает с вектором напряженности магнитного поля Земли, то магнитный поток сквозь контур катушки при ее вращении меняется, и в ней индуцируется эдс. При совпадении оси вращения с направлением вектора напряженности поток сквозь ее контур остается постоянным, эдс не индуцируется, и включенный в цепь катушки чувствительный гальванометр не дает отклонений. Угол между горизонтальной плоскостью и осью катушки при отсутствии отклонений в гальванометре отсчитывается по вертикальному кругу, соединенному с осью катушки. Точные измерения показали, что в настоящее время горизонтальная составляющая вектора магнитной индукции B на поверхности планеты принимает значения от 0 до 41 мкТл, а полный вектор индукции B₀ изменяется в пределах от +62 до -73 мкТл.

Магнитное поле Земли меняется и во времени. В настоящее время магнитное поле планеты убывает примерно на 1% каждые 10 лет.

Экспериментальная установка

Тангенс-гальванометр представляет собой короткую катушку большого диаметра, точно в центре которой располагается буссоль (компас). Размеры стрелки буссоли должны быть очень малы, что позволяет считать величину магнитного поля тока, действующего на концы стрелки, равной величине поля в центре кругового тока. По этой же причине катушка прибора должна быть как можно короче и как можно большего диаметра. Обмотка катушки представляет собой определённое число N витков медного провода и несколько отводов, сделанных через равное количество витков. Каждый отвод припаивается к отдельному гнезду на панели прибора, рядом с которым указывается соответствующее число витков. Перед началом измерений плоскость катушки тангенс-гальванометра располагают в плоскости магнитного меридиана планеты, после чего по обмотке прибора пропускают электрический ток. В результате стрелка оказывается под воздействием одновременно двух взаимно перпендикулярных полей: горизонтальной составляющей магнитного поля Земли В_г и поля В_I кругового тока катушки тангенс-гальванометра. При этом стрелка буссоли устанавливается вдоль вектора магнитной индукции результирующего поля.

.

Отсюда:

. (1)

Если катушка прибора содержит n витков, то индукция магнитного поля тока в центре катушки может быть определена по формуле:

, (2)

где R - радиус катушки тангенс-гальванометра. Таким образом, с учётом (1) и (2), получаем:

. (3)

Относительная погрешность определения величины В_г по формуле (3) определяется суммой:

. (4)

Таким образом, измерения горизонтальной составляющей магнитного поля Земли целесообразно производить при ? = 45, так как в этом случае, согласно (4), ошибка, связанная с неточностью определения угла ?, будет минимальной. При этом выражение (3) упрощается:

. (5)

Проведение эксперимента

Определение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли.

Соберите цепь по схеме, указанной на рис. 3.

Включите в цепь витков катушки и установите её в плоскости земного меридиана.

Включите источник питания, с помощью реостата, установите ток в цепи катушки такой величины , чтобы стрелка буссоли отклонилась на угол 45.

При помощи переключателя П измените направление тока на противоположное и, откорректировав положение стрелки буссоли на угол 45, измерьте силу тока в цепи.

Найдите среднее значение величин и : .

Рассчитайте величину горизонтальной составляющей индукции магнитного поля планеты.

Повторите все измерения, включая в цепь числа витков и .

Рассчитайте среднее значение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли по формуле 5 и сравните полученный результат с табличным.

Вычислите предельную относительную погрешность величины В_г по формуле 4 и абсолютную погрешность по формуле . При этом погрешность в определении тока определяется по классу точности прибора, а погрешность в определении радиуса катушки и угла ? оценивается экспериментатором самостоятельно.

Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 1.

Таблица 1

Измерение магнитного поля соленоида тесламетром

1. Включить в сеть измеритель магнитной индукции (тесламетр, рис. 4). При необходимости провести установку нуля тесламетра.

2. Подать на обмотку соленоида ток I₁ = 5 - 7 А от источника постоянного тока.

3. Произвести измерения магнитной индукции В при помощи длинного щупа тесламетра поля в разных точках поля внутри и вне соленоида, перемещая датчик от нижнего края соленоида вверх.

4. Построить график зависимости В_эксп. (х), где х - расстояние от нижнего края соленоида до исследуемой точки, измеренное по шкале щупа..

5. На полученном графике построить в том же масштабе теоретическую кривую зависимости В_теор. (х) , пользуясь следующей расчетной формулой: , где - длина соленоида, х- расстояние от края соленоида до исследуемой точки, R- радиус соленоида , n - число витков на единицу длины соленоида .

6. Исследовать зависимость индукции поля внутри соленоида от силы тока в обмотке (вблизи середины соленоида) и построить график зависимости В_эксп.(I).

7. В том же масштабе построить теоретическую кривую B_теор.(I), рассчитав В по выше приведенной формуле.

Измерение магнитного поля между полюсами электромагнита

1. Подать на электромагнит ток от источника постоянного тока.

2. Произвести измерения индукции магнитного поля между полюсами электромагнита, используя короткий щуп тесламетра, начиная от верхнего края катушек.

3. Построить график зависимости В(х), где х - расстояние от верхнего края катушек до данной точки.

Контрольные вопросы

1. Что такое магнитное поле, его характеристики (напряженность, магнитная индукция).

2. Линии напряженности магнитного поля и его вихревой характер.

3. Закон Био-Савара-Лапласа, магнитная постоянная.

4. Напряженность магнитного поля в центре кругового тока, прямого тока и бесконечного соленоида.

5. Магнитное поле движущегося заряда.

6. Взаимодействие электрических токов.

7. Магнетизм Земли.

8. Экспериментальная установка и методика проведения эксперимента.

Литература, рекомендуемая к лабораторной работе:

1. Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм.- М.: Высшая школа, 1983.

2. Калашников С.Г. Электричество. - М.: Наука, 1977.

3. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2, Т. 3. - М.: Наука, 1977.

4. Телеснин Р.В., Яковлев В.Ф. Курс физики. Электричество.-М.: Просвещение, 1970.

5. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.3. Электричество.- М.: Физматлит МФТИ, 2002.

6. Иродов И.Е. Электромагнетизм. Основные законы. -М.- С.-П.: Физматлит Невский диалект, 2001

7. Зильберман Г.Е. Электричество и магнетизм. - М.: Наука, 1970.

8. Парсел Э. Курс физики Т.2 Электричество и магнетизм - М.: Наука, 1971.

9. Рублев Ю.В., Куценко А.Н., Кортнев А.В. Практикум по электричеству. - М.: Высшая школа, 1971.

10. Кортнев А.В., Рублев Ю.В., Куценко А.Н.. Практикум по физике. - М.: Высшая школа, 1965.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА РАЗЛИЧНЫМИ МЕТОДАМИ

Цель работы:

Научиться определять удельный заряд электрона, используя законы движения заряженных частиц в электрических и магнитных полях.

Идея эксперимента

Отклонение, испытываемое заряженными частицами в электрическом и магнитном полях, существенно зависит от величины удельного заряда частиц. Поэтому, измеряя это отклонение, можно определить удельный заряд частиц e/m. В зависимости от того, известна или неизвестна скорость частиц, приходится поступать по-разному. Если скорость частиц известна или может быть определенным образом задана в эксперименте, то достаточно измерить лишь одно из отклонений - либо в магнитном, либо в электрическом поле. Если же неизвестны и удельный заряд частиц e/m, и их скорость ?, то требуется применение и электрического, и магнитного отклонений, так как для определения двух неизвестных необходимы два соотношения. Примером методов первой группы может служить метод магнитной фокусировки для определения удельного заряда термоэлектронов. Примером второй группы является метод взаимно перпендикулярных магнитного и электрического полей, осуществляемых в магнетроне и газоразрядной трубке.

Теоретическая часть

Движение заряженных частиц в однородном электрическом поле. Если частица, обладающая зарядом е, движется в пространстве, где имеется электрическое поле с напряженностью Е, и магнитное поле с индукцией В, то на нее действует сила Лоренца. Поэтому, согласно второму закону Ньютона, уравнение частицы имеет вид

m d?/dt= eE + e [B]. (1)

Написанное векторное уравнение распадается на три скалярных, каждое из которых описывает движение вдоль соответствующей координатной оси.

Предположим, что заряженные частицы, двигающиеся первоначально вдоль оси X со скоростью ?₀, попадают в электрическое поле плоского конденсатора (рис 1). Если зазор между пластинами мал по сравнению с их длиной l, то краевыми эффектами можно пренебречь и считать электрическое поле между пластинами однородным. Направляя ось Y параллельно полю, мы имеем: E_x=E_z= 0, E_y= E. Так как магнитного поля нет, то B_x=B_y=B_z= 0.

В рассматриваемом случае на заряженные частицы действует только сила со стороны электрического поля, которая при выбранном направлении координатных осей целиком направлена по оси Y. Поэтому траектория движения частиц лежит в плоскости XY и уравнения движения принимают вид

. (2)

Движение частиц в этом случае происходит под действием постоянной силы подобно движению горизонтально брошенного тела в поле тяжести, поэтому ясно без дальнейших расчетов, что частицы будут двигаться по параболам.

Вычислим угол (рис. 1), на который отклонится пучок частиц после прохождения через конденсатор. Интегрируя первое из уравнений (2), находим

?_x=?_0.

Интегрирование второго уравнения дает

V_y=Et + C,

где

t = l/?₀

есть время нахождения частицы в электрическом поле, а С - постоянная интегрирования. Так как при t=0 ( момент вступления частицы в конденсатор) ?_y=0, то С=0, поэтому

?_y=, отсюда получаем для угла отклонения ?

tg = .

Отклонение пучка существенно зависит от величины удельного заряда частиц e/m.

169

Движение заряженных частиц в однородном магнитном поле.

Пусть частица, обладающая начальной скоростью v₀, попадает в магнитное поле с индукцией B. Это поле мы будем считать однородным и направленным перпендикулярно к скорости v₀ (рис.2).

Прежде всего, отметим, что действующая на частицу сила всегда перпендикулярна к скорости движения частицы. Это значит, что работа силы всегда равна нулю; следовательно, абсолютное значение скорости движения частицы, а значит, и энергия частицы остаются постоянными при движении. Та как скорость частицы v не изменяется, то величина силы

F = e?B

остается постоянной. Эта сила, будучи перпендикулярной к направлению движения, является центростремительной силой. Но движение под действием постоянной по величине центростремительной силы есть движение по окружности. Радиус r этой окружности определяется условием

m?²/r = e?B.

откуда

. (3)

Кругообразное движение заряженных частиц в магнитном поле обладает важной особенностью: период обращения не зависит от энергии частицы. Действительно, период обращения равен

.

Подставляя сюда вместо r его выражение (3), имеем

. (4)

Для данного типа частиц и период, и частота зависят только от индукции магнитного поля.

Выше мы предполагали, что направление начальной скорости перпендикулярно к направлению индукции магнитного поля. Пусть теперь начальная скорость частицы составляет некоторый угол с направлением поля (рис. 3).

В этом случае удобно разложить скорость ₀ на две составляющие, одна из которых параллельна полю, а другая перпендикулярна полю. На частицу действует сила Лоренца, обусловленная составляющей _n, и частица движется по окружности, лежащей в плоскости, перпендикулярной полю. Составляющая _t не вызывает появления добавочной силы, так как сила Лоренца при движении частицы параллельно полю равна нулю. Поэтому в направлении поля частица движется равномерно, со скоростью . В результате сложения обоих движений частица будет двигаться по цилиндрической спирали, изображенной на рис. 3. Шаг винта этой спирали

.

Подставляя вместо Т его выражение (4) , имеем

(5)

Рассмотрим случай, когда углы ? невелики ( cos??1). В этих условиях можно записать

. (6)

Таким образом, путь, пройденный электроном в магнитном поле за один оборот, не зависит от угла ? (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

m?²/2 = eU (7)

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

e/m = 8?²U/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 В_к, при котором траектории электронов как раз касаются поверхности анода. Если ВВ_к, то все электроны доходят до анода и ток через магнетрон имеет то же значение, что и без магнитного поля. Если же В>В_{к ,}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 B_к 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<B_кр все электроны, без исключения, попадали бы на анод, а при В>В_кр все они не достигали бы анода. Анодный ток I_а c увеличением магнитного поля изменился бы так, как это показано на рис. 5 штриховой линией.

На самом деле электроны, испускаемые нагретым катодом, обладают различными скоростями. Критические условия достигаются для различных электронов при различных значениях В. Кривая зависимости I_а=f(B) приобретает вследствие этого вид сплошной линии на рис. 5

Кроме того, невозможно обеспечить полную коаксиальность анода и катода, в реальных условиях вектор индукции магнитного поля несколько наклонён по отношению к катоду.

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

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=?₀NI/2L (cos?₁ -cos?₂), (11)

где N и L -число витков и длина соленоида соответственно, а ?₁ и ?₂- 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 ? 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.

6. Рассчитать относительную и абсолютную ошибки полученных результатов по отношению к табличным данным.

Примечания: для расчета искомых величин использовать следующие данные: U = 450 В; N=1000 витков; L = 8 см, r= 3,5 см, ? =9 см

Метод магнетрона

1. Установить магнетрон в середину соленоида;

2. Схему (рис. 8) включить в цепь переменного тока;

3. Установить с помощью потенциометра R₁ анодное напряжение 0,5 -1,5 В. Прогрев лампы и установление анодного тока длятся 3-5 мин.

4. Включить источник тока;

5. Подать на соленоид напряжение от источника постоянного тока В-24. Изменяя ток соленоида от 0 до 10 А, исследовать зависимость I_a=f(I) при трёх фиксированных значениях анодного напряжения.

6. Данные измерений занести в таблицу 1:

Таблица 1

7. Построить кривые зависимости анодного тока I_a лампы от тока соленоида I при фиксированных значениях анодного напряжения, в результате чего получить сбросовые характеристики;

8. Для каждого значения анодного напряжения определить значения силы тока в соленоиде I_кр, при которых кривые I_a=f(I) круто падают. Наиболее правильно брать значения I_кр из верхней части участка спада сбросовой характеристики;

9. Используя найденные значения тока I_кр, вычислить критические значения магнитной индукции по формуле (11);

10. Вычислить по формуле 9 отношение e/m для разных значений анодного напряжения U_a. Найти среднее значение <e/m>. Оценить ошибки измерения.

Эксперименты с применением газоразрядной трубки

1. Включить источник питания газоразрядной трубки ВУП-2 в цепь переменного тока. Через 5 минут появляется электронный луч, которой хорошо виден в полностью затемнённом помещении;

2. Включить источник питания катушек Гельмгольца ИЭПП - I в цепь переменного тока;

3. Газоразрядную трубку с помощью поворотного устройства расположить так, чтобы получить электронный пучок в виде винтовой линии. Меняя напряжение на аноде и ток, подаваемый на катушки Гельмгольца, сделать вывод о зависимости шага винтовой линии от этих параметров;

4. Газоразрядную трубку расположите так, чтобы электронный пучок был направлен параллельно виткам катушек, при этом светящийся пучок примет вид кольца;

5. Измерьте радиус кольца с помощью приспособления, состоящего из полупроводникового лазера и специального измерительного устройства, обеспечивающего перемещение луча лазера в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Для этого направляющую пластину, вдоль которой перемещается лазер, установите строго параллельно плоскости кольца, при этом луч лазера будет направлен перпендикулярно этой плоскости. Перемещайте лазер с помощью микрометрической подачи, так чтобы его луч поочередно пересекал кольцо в точках, находящихся на концах его диаметра. Для более удобного совмещения точек пересечения лазером кольца и экрана, установленного по другую сторону колбы, лазер снабжен выступом (“мушкой”) на конце его цилиндрического корпуса. Измерения проведите несколько раз и найдите среднее значение радиуса кольца;

6. Измерьте радиус катушек Гельмгольца;

7. Данные измерений занесите в таблицу 2 и определите значение удельного заряда электрона по формуле (10);

8. Оцените погрешность полученных результатов.

Примечание: вектор магнитной индукции определяют с помощью измерителя индукции или по формуле:

, (13)

где - сила тока в катушках, А, - = 445 число витков, - радиус катушек, Гн/м - магнитная постоянная.

Таблица 2

Контрольные вопросы

1. Движение заряженных частиц в электромагнитном поле.

2. Сила Лоренца, правило определения направления силы Лоренца.

3. Удельный заряд электрона и методы его определения.

4. Магнетрон. Метод определения удельного заряда с помощью магнетрона.

5. Определение удельного заряда по методу магнитной фокусировки.

6. Определение удельного заряда с помощью газоразрядной трубки.

7. Вывести формулы для определения удельного заряда методом магнетрона и газоразрядной трубки.

8. Вывести формулу для определения удельного заряда методом магнитной фокусировки.

9. Что такое сбросовая характеристика и как по ней определяется критический ток?

Литература, рекомендуемая к лабораторной работе:

1. Калашников С.Г. Электричество. - М.: Наука, 1977.

2. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2, Т. 3. - М.: Наука, 1977.

3. Телеснин Р.В., Яковлев В.Ф. Курс физики. Электричество.-М.: Просвещение, 1970.

4. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.3. Электричество.- М.: Физматлит МФТИ, 2002.

5. Иродов И.Е. Электромагнетизм. Основные законы. -М.- С.-П.: Физматлит Невский диалект, 2001

6. Зильберман Г.Е. Электричество и магнетизм. - М.: Наука, 1970.

7. Парсел Э. Курс физики Т.2 Электричество и магнетизм - М.: Наука, 1971.

8. Физический практикум. Электричество. Под редакцией В.И. Ивероновой. - М.: Наука, 1968.

9. Кортнев А.В., Рублев Ю.В., Куценко А.Н.. Практикум по физике. - М.: Высшая школа, 1965.

10. Руководство к лабораторным занятиям по физике. Под редакцией Л.Л. Гольдина, - М.: Наука, 1983.

ПОЛУЧЕНИЕ КРИВОЙ НАМАГНИЧИВАНИЯ И ПЕТЛИ ГИСТЕРЕЗИСА С ПОМОЩЬЮ ОСЦИЛЛОГРАФА

Цель работы:

Получить экспериментальную зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля, определить коэрцитив-ную силу, остаточную индукцию и построить график зависимости магнитной проницаемости от напряжённости магнитного поля.

Идея эксперимента:

Исследуемым веществом является железо, из которого изготовлен тороид с двумя обмотками. Индукция магнитного поля внутри полого тороида, равна:

, (1)

где n₁ - число витков на один сантиметр длины первичной обмотки, I₁ - ток, подаваемый на первичную обмотку тороида. Магнитная индукция связана с напряженностью соотношением:

(2)

Из формулы (1) и (2) получаем, что напряженность магнитного поля

, (3)

где N₁ - полное число витков первичной обмотки, l- длина средней линии тороида При прохождении переменного тока по первичной обмотке тороида во вторичной обмотке наводится э.д.с. индукции

,

где S - площадь сечения тороида, N₂ - число витков во вторичной обмотке, В - индукция в образце.

Чтобы по-лучить на экране осциллографа петлю гистерезиса, нужно на

горизонтально отклоняющие пластины подать напряжение U_x, пропорциональное напряженности Н магнитного поля в образце, а на вер-тикально отклоняющие пластины - напряжение U_y, пропорциональ-ное магнитной индукции В. За один период синусоидального изменения тока след электронного луча на экране опишет полную петлю гистерезиса, а за каждый последующий период в точности её повторит. Поэтому на экране будет видна неподвижная петля гистерезиса. Изменяя напряжённость поля Н, можно получить на экране последовательно ряд различных по своей площади частных петель гистерезиса. Верхняя точка петли гистерезиса находится на кривой намагничивания. Следовательно, для построения начальной кривой намагничивания необходимо снять с осциллограмм координаты вершин n_x и n_y петель гистерезиса, а значения Н и В вычислить по формулам (4), (5).