1   2
Ім'я файлу: Болгарин ПБВ-01 лр2 - не зачтено.docx
Розширення: docx
Розмір: 1456кб.
Дата: 22.04.2020
скачати
Пов'язані файли:
Практична робота.docx
topref.ru-133925.doc
Grazovska_magistr.pdf

Рисунок 9. Зависимость анодного тока магнетрона от индукции магнитного поля в нём
Т аким образом, задача нахождения критического значения индукции магнитного поля в магнетроне и пропорционального ему критического значения тока соленоида превратилась в стандартную математическую задачу по поиску экстремума функции зависимости анодного тока от тока соленоида.

Рисунок 10. Зависимость анодного тока магнетрона от индукции магнитного поля в нём (слева)

Рисунок 11. Определение значения критического тока соленоида по максимуму производной анодного тока по току соленоида (справа)

Для этого нужно построить график зависимости производной анодного тока по току соленоида от тока соленоида . Горизонтальную ось на графике зависимости анодного тока от тока соленоида (рисунок 10) разбивают на мелкие равные отрезки - приращения тока соленоида. Из концов этих отрезков восстанавливают перпендикуляры к оси до пересечения с экспериментальной кривой. Затем из получившихся точек на кривой проводят перпендикуляры на ось анодных токов . Получившийся на оси анодных токов отрезок и есть искомое приращение анодного тока, соответствующее приращению тока соленоида. Для вычисления производной анодного тока по току соленоида теперь достаточно разделить на . По полученным значениям строится график производной, подобный изображённому на рисунке 11. Такая операция называется графическим дифференцированием функции. Рисунок 11 иллюстрирует её выполнение: максимум построенной функции соответствует критической силе тока в соленоиде.
Описание лабораторной установки
Р еальная лабораторная установка состоит из измерительного блока 6 и источника питания 7 (рисунок 12). Основным элементом установки служит магнетрон, представляющий собой вакуумный диод 1, помещённый внутрь соленоида 2. Конструктивно анод диода имеет форму цилиндра, вдоль оси которого расположена нить накала, являющаяся катодом. Цифровой амперметр 3 измеряет ток в цепи соленоида, а цифровой миллиамперметр 4 – анодный ток магнетрона. Панель переключателей 5 позволяет подключать цепи питания соленоида, накала и анодного питания магнетрона. Анодное напряжение регулируется потенциометром 10 и измеряется аналоговым вольтметром 8, встроенными
Рисунок 12. Внешний вид лабораторной установки
в источник питания лабораторной установки. Регулировка тока в цепи соленоида достигается реостатом 9.





S1
S1



Рисунок 13. Схема лабораторной установки
Схема лабораторной установки представлена на рисунке 13. Цепь соленоида L1 питается от источника напряжения Uc через ключ S1. Реостат R1 позволяет изменять ток соленоида, тем самым изменяя величину индукции магнитного поля внутри магнетрона. Амперметр PA1 измеряет ток в цепи соленоида. Анодная цепь вакуумного диода VL1 питается от источника напряжения Ua через ключ S2. Потенциометр R2 позволяет регулировать анодное напряжение магнетрона, а вольтметр PV1 – измерять его. Анодный ток измеряется миллиамперметром PA2. Накал катода питается от отдельного источника напряжения Uн через ключ S3.

При подаче анодного напряжения от источника Ua между катодом и анодом вакуумного диода создаётся электрическое поле. Это поле ускоряет электроны, эмитированные катодом, и направляет их к аноду, в результате чего создаётся анодный ток.

При подаче на соленоид напряжения от источника Uc внутри магнетрона создаётся магнитное поле, которое искривляет траектории движения электронов. При некотором значении тока

соленоида электроны описывают окружности с диаметром, меньшим радиуса анода (рисунок 8в, г). При этом анодный ток прекращается. Соответствующее значение тока соленоида и будет его критическим током.
Рисунок 14. Первое окно программы-симулятора. Снятие зависимости анодного тока от тока соленоида (слева)

Рисунок 15. Предупреждение программы о неполном заполнении таблицы измерений (справа)
Виртуальная лабораторная установка является программным симулятором реального лабораторного оборудования и позволяет смоделировать на персональном компьютере поведение настоящего магнетрона и получить значения измеряемых физических величин, находящиеся в соответствии с реальным экспериментом.

Запустить программу можно отсюда, либо найти ссылку на неё в учебном курсе. Также можно воспользоваться презентацией, рассказывающей о работе с программой, и просмотреть небольшой видеоурок.



Рисунок 16. Окно построения графика экспериментальной зависимости
Интерфейс программы-симулятора состоит из четырёх окон. Первое из них предназначено для снятия зависимости анодного тока вакуумного диода магнетрона от тока создающего магнитное поле соленоида. Переход ко второму окну производится по кнопке «Построить график» только после завершения снятия указанной зависимости. Если таблица измерений заполнена не полностью, то выдаётся соответствующее предупреждение (рисунок 15). В этом случае необходимо сделать измерения при пропущенных значениях тока соленоида. Когда вся таблица измерений заполнена, во втором окне программы-симулятора автоматически будет построен график исследуемой зависимости (рисунок 16). Теперь нужно выполнить дифференцирование построенной зависимости по току соленоида. При нажатии большой кнопки «Построить график зависимости dIa/dIc по Ic» это также делается автоматически в третьем окне программы (рисунок 17).



Рисунок 17. График производной анодного тока по току соленоида
Одновременно с выводом этого графика открывается последнее окно программы, позволяющее вычислить искомую величину – удельный заряд электрона (рисунок 18). При неправильном заполнении какого-либо чёрного поля в правой части окна будет выдано предупреждение, пример которого приведён на рисунке 19.






Рисунок 18. Окно расчёта удельного заряда электрона (слева)
Рисунок 19. Пример предупреждения о неверно введённом значении измеренной величины (справа).

Решение

Таблица 1. Зависимость анодного тока магнетрона от тока соленоида

Анодное напряжение Uа, В
22

Ток соленоида Ic, A
0.00
0.08
0.16
0.24
0.32
0.40
0.48
0.56
0.64
0.72
0.80

Анодный ток Ia, A
0.609
0.144
0.007
0.007
0.007
0
0
0
0
0
0







Сделаем выводы по выполненной работе. Проверим с табличными данными:

, ,

.

Значение удельного заряда, определенное опытным путем, совпало с табличным значением.
Ошибка! Экспериментальное и теоретическое значения удельного заряда электрона отличаются на несколько порядков. Проверьте правильность подстановки данных в рабочие формулы и вычисления по ним. После исправления ошибок сделайте вывод о допустимости применения метода магнетрона для измерения удельного заряда электрона.
Ответы на контрольные вопросы:


  1. Магнитное поле, его основные физические свойства.

Магнитное поле это материя, которая возникает вокруг источников электрического тока, а также вокруг постоянных магнитов. В пространстве магнитное поле отображается как совокупление сил, которые способны оказать воздействие на намагниченные тела. Это действие объясняется наличием движущих разрядов на молекулярном уровне.

Магнитное поле формируется только вокруг электрических зарядов, которые находятся в движении. Именно поэтому магнитное и электрическое поле являются, неотъемлемыми и вместе формируют электромагнитное поле. Компоненты магнитного поля взаимосвязаны и воздействуют друг на друга, изменяя свои свойства.

Свойства магнитного поля:
1. Магнитное поле возникает под воздействие движущих зарядов электрического тока.
2. В любой своей точке магнитное поле характеризуется вектором физической величины под названием магнитная индукция, которая является силовой характеристикой магнитного поля.
3. Магнитное поле может воздействовать только на магниты, на токопроводящие проводники и движущиеся заряды.
4. Магнитное поле может быть постоянного и переменного типа
5. Магнитное поле измеряется только специальными приборами и не может быть воспринятым органами чувств человека.
6. Магнитное поля является электродинамическим, так как порождается только при движении заряженных частиц и оказывает влияние только на заряды, которые находятся в движении.
7. Заряженные частицы двигаются по перпендикулярной траектории.


  1. Основные параметры электрического поля: напряжённость и индукция, связь между ними.

Для количественного определения электрического поля вводится силовая характеристика напряженность электрического поля.

Напряженностью электрического поля называют физическую величину, равную отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещенный в данную точку пространства, к величине этого заряда:



Напряженность электрического поля – векторная физическая величина. Направление вектора совпадает в каждой точке пространства с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд.

Электрическое поле неподвижных и не меняющихся со временем зарядов называется электростатическим.

Если с помощью пробного заряда исследуется электрическое поле, создаваемое несколькими заряженными телами, то результирующая сила оказывается равной геометрической сумме сил, действующих на пробный заряд со стороны каждого заряженного тела в отдельности. Следовательно, напряженность электрического поля, создаваемого системой зарядов в данной точке пространства, равна векторной сумме напряженностей электрических полей, создаваемых в той же точке зарядами в отдельности:




Ошибка! Ответ на вопрос полностью неправильный. В вопросе речь идёт об электрическом поле, а не о магнитном.


  1. Закон Био – Савара - Лапласа.

Магнитное поле постоянных токов различной конфигурации изучалось экспериментально французскими учеными Ж. Био и Ф. Саваром (1820 г.). Они пришли к выводу, что индукция магнитного поля токов, текущих по проводнику, определяется совместным действием всех отдельных участков проводника. Магнитное поле подчиняется принципу суперпозиции:

Если магнитное поле создается несколькими проводниками с током, то индукция результирующего поля есть векторная сумма индукций полей, создаваемых каждым проводником в отдельности.

Индукцию   проводника с током можно представить как векторную сумму элементарных индукций   создаваемых отдельными участками проводника. На опыте невозможно выделить отдельный участок проводника с током, так как постоянные токи всегда замкнуты. Можно измерить только суммарную индукцию магнитного поля, создаваемого всеми элементами тока. Закон Био–Савара определяет вклад   в магнитную индукцию   результирующего магнитного поля, создаваемый малым участком Δl проводника с током I.




Здесь r – расстояние от данного участка Δl до точки наблюдения, α – угол между направлением на точку наблюдения и направлением тока на данном участке, μ0 – магнитная постоянная. Направление вектора   определяется правилом буравчика: оно совпадает с направлением вращения рукоятки буравчика при его поступательном перемещении вдоль тока. Рис. 1.17.1 иллюстрирует закон Био–Савара на примере магнитного поля прямолинейного проводника с током. Если просуммировать (проинтегрировать) вклады в магнитное поле всех отдельных участков прямолинейного проводника с током, то получится формула для магнитной индукции поля прямого тока:







  1. Принцип суперпозиции для напряжённости и индукции магнитного поля.

Модель позволяет измерить величину вектора магнитной индукции поля, создаваемого двумя проводниками с током, в различных точках. Можно изменять расстояние между проводниками, величину и направление текущих в них токов.

Источниками магнитного поля являются движущиеся электрические заряды (токи). Магнитное поле токов принципиально отличается от электрического поля. Магнитное поле, в отличие от электрического, оказывает силовое действие только на движущиеся заряды (токи). Характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции  который определяет силы, действующие на токи или движущиеся заряды в магнитном поле.

За положительное направление вектора  принимается направление от южного полюса S к северному полюсу N магнитной стрелки, свободно ориентирующийся в магнитном поле. Таким образом, исследуя магнитное поле, создаваемое током или постоянным магнитом, с помощью маленькой магнитной стрелки, можно в каждой точке пространства определить направление вектора  .

Направление этого вектора для поля прямого проводника с током и соленоида можно определить по правилу буравчика: если направление поступательного движения буравчика (винта) с правой нарезкой совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции.

Модуль индукции B магнитного поля прямолинейного проводника с током I на расстоянии R от него выражается соотношением:

где μ0 – постоянная величина, которую называют магнитной постоянной. Ее численное значение равно μ0 = 4π∙10–7 H/A2 ≈ 1,26∙10–6 H/A2.

Принцип суперпозиции магнитных полей: если магнитное поле создано несколькими проводниками с токами, то вектор магнитной индукции в какой-либо точке этого поля равен векторной сумме магнитных индукций, созданных в этой точке каждым током в отдельности:

Компьютерная программа позволяет изменять величину и направление токов, текущих по параллельным проводникам, расстояние между ними. Положение точки, в которой производится измерение вектора магнитной индукции результирующего поля, изменяется с помощью курсора мыши.


  1. Графическое изображение магнитных полей. Силовые линии магнитного поля.





  1. Действие магнитного поля на движущиеся электрические заряды. Сила Лоренца.

Сила Лоренца

На заряд, который попал в магнитное поле, будет воздействовать сила Лоренца.

 

Если заряженная частица влетела в магнитное поле вдоль линий индукции, то угол  , следовательно FЛ равна нулю.

Если частица влетела перпендикулярно линиям индукции, то под воздействием силы Лоренца ее траектория будет окружность. А если под некоторым углом к силовым линиям - винтовая траектория.

 

Направление силы Лоренца

Направление силы Лоренца определяется по правилу левой руки (см. направление силы Ампера).



1) Вектор индукции "входит" в ладонь; 2) четыре пальца сонаправлены с движением положительной частицы (см. направление тока) и четыре пальца противоположно направлены движению отрицательной частицы; 3) большой палец указывает направление силы Лоренца.


  1. Устройство и принцип действия магнетрона. Техническое применение магнетронов.

Магнетрон [от греч. magnetis — магнит и электрон], в первоначальном и широком смысле слова — коаксиальный цилиндрический диод в магнитном поле, направленном по его оси; в электронной технике — генераторный электровакуумный прибор СВЧ, в котором взаимодействие электронов с электрической составляющей поля СВЧ происходит в пространстве, где постоянное магнитное поле перпендикулярно постоянному электрическому полю.Это мощный генератор электромагнитных волн сантиметрового диапазона. Принцип действия магнетрона основан на торможении электронов в скрещенных электрических и магнитных полях. Используется главным образом в устройствах радиолокации, а также в нагревательных установках сверхвысокой частоты (микроволновые печи).

Простыми словами, магнетрон — это мощная электронная лампа, генерирующая микроволны при взаимодействии потока электронов с магнитным полем. То есть, магнетрон создает микроволны и является обязательной составляющей всех микроволновых печей. Это, можно смело сказать - "сердце" микроволновой печи.

Термин "магнетрон" был предложен А. Халлом (A. Hull), который в 1921 году, впервые опубликовал результаты теоретических и экспериментальных исследований работы прибора в статическом режиме и предложил ряд конструкций магнетрона. Генерирование электромагнитных колебаний в дециметровом диапазоне волн посредством магнетрона открыл и запатентовал в 1924 чехословацкий физик А. Жачек.

В 1940 британские физики Джон Рэндалл (John Randall) и Гарри Бут (Harry Boot) изобрели резонансный магнетрон. Новый магнетрон давал импульсы высокой мощности, что позволило разработать радар сантиметрового диапазона. Радар с короткой длиной волны позволял обнаруживать более мелкие объекты. Кроме того, компактный размер магнетрона привел к резкому уменьшению размеров радарной аппаратуры, что позволило устанавливать ее на самолетах. Начиная с 1960-х годов, магнетроны получили применение в СВЧ-печах для домашнего использования.

Магнетроны могут работать на различных частотах от 0,5 до 100 ГГц, с мощностями от нескольких Вт до десятков кВт в непрерывном режиме, и от 10 Вт до 5 МВт в импульсном режиме при длительностях импульсов главным образом от долей до десятков микросекунд. Магнетроны обладают высоким КПД (до 80 %), то есть, способны преобразовывать до 80% подводимой к ним электроэнергии в СВЧ-поле.

Магнетрон — это мощная электронная лампа, генерирующая микроволны при взаимодействии потока электронов с магнитным полем. Магнетроны как генераторы сверхвысоких частот широко используются в современной радиолокационной технике.

О сновой магнетронов является анодный блок, который представляет собой толстостенный полый медный цилиндр, в стенках которого вырезаны полости, соединённые с центральным пространством щелями. Эти полости представляют собой кольцевую систему объёмных резонаторов. В центре анодного блока высверлено широкое круглое отверстие, через которое подключается источник питания посредством специальных выводов к катоду (подогреваемая нить накала), который проходит вдоль центральной оси анода. Вывод высокочастотных колебаний устанавливается в одном из резонаторов. Торцы цилиндра герметично закрыты медными крышками, а внутри обеспечивается вакуум высокой степени. Эффективное охлаждение блока обеспечивается ребристыми радиаторами, расположенными на его поверхности.

Весь анодный блок устанавливается в сильное магнитное поле, которое создаётся постоянными магнитами. Между катодом и анодом устанавливается высокое электрическое напряжение, при этом положительный полюс прикладывается к аноду. Электроны, которые вылетают из катода под действием электрического поля, двигаются в радиальном направлении к аноду, однако под влиянием магнитного поля меняют траекторию движения. При определённых величинах магнитного и электрического полей удаётся добиться такого состояния, когда электроны, описывая окружность, в итоге пройдя рядом с анодом, вновь возвращаются на катод, а на анод попадает только незначительная часть вылетевших электронов. Большая часть их возвращается обратно в область катода.

При некоторых условиях динамического равновесия, возвращающиеся в область катода электроны заменяются вылетевшими вновь. Поскольку электроны постоянно перемещаются от катода к аноду, возле последнего рядом со щелями объёмных резонаторов устанавливается постоянно вращающийся заряд кольцеобразной формы. По мере движения по окружности центральной полости анодного блока электроны возбуждают в каждом резонаторе незатухающие высокочастотные колебания. Выводятся эти колебания посредством витка проводов, расположенного в полости одного из резонаторов, которые затем передаются в коаксиальную линию или волновод.


  1. Уравнение движения электрона в магнетроне .




Ошибка! Непонятно, какая из множественных формул является уравнением движения электрона в магнетроне. Выведите его из законов физики и запишите в явном виде.


  1. Физический смысл удельного заряда электрона. Вывод формулы для вычисления удельного заряда электрона.

Физический смысл простой: отношение заряда к массе. Характеризует степень искривления траектории электрона в магнитном поле.

Криволинейная траектория движения электрона в магнитном поле с критическим значением индукции напоминает окружность, радиус которой для электрона вблизи анода приблизительно равен половине радиуса анода:
(13)
где значение скорости электрона в соответствии с формулой (10) равно
(14)
где - напряжение на аноде магнетрона, являющееся для электрона ускоряющим напряжением. - критическое значение индукции магнитного поля, при котором траектории движения искривляются настолько, что уже не касаются анода (рисунок 8в).

Таким образом, если известна индукция критического магнитного поля при определенном анодном напряжении, то из формул (13) и (14) можно рассчитать удельный заряд электрона:
(15)
Для вычисления удельного заряда электрона по формуле (15) нужно, задавая величину анодного напряжения, найти критическое значение индукции магнитного поля.

В данной работе измеряется ток соленоида, с которым однозначно связано значение индукции магнитного поля внутри магнетрона. Из закона Био – Савара – Лапласа (7) для длинного соленоида (у которого длина много больше диаметра) имеем:
(16)
где - число витков, - длина соленоида, - ток в цепи соленоида, - магнитная постоянная, - относительная магнитная проницаемость среды. Так как движение электронов происходит в вакууме, то . Относительная магнитная проницаемость среды показывает, во сколько раз напряжённость поля в вакууме отличается от напряжённости поля в среде.

В результате подстановки (16) в (15) окончательная расчетная формула для удельного заряда электрона принимает вид:
(17)
Ошибка! Рабочая формула должна содержать величины, которые можно измерить на используемой лабораторной установке. На нашей установке магнитную индукцию измерить нельзя. Выразите её через другие измеряемые величины.
1   2

скачати

© Усі права захищені
написати до нас