Волков А.Ф., Лумпиева Т.П. Лабораторный практикум по физике

Подождите немного. Документ загружается.

Электромагнетизм Описания лабораторных работ

ПРОТОКОЛ

измерений к лабораторной работе № 61

Выполнил(а)_____________________ Группа__________________

Определение цены деления приборов

№

п/п

Прибор

Предел подключе-

ния с указанием

единицы измерения

Число деле-

ний на шка-

ле прибора

Цена деления с

указанием едини-

цы измерения

1 Вольтметр

2 Амперметр

Сопротивление R = _______________________

Емкость конденсатора С =__________________

Число витков в обмотках N

= ___________

Площадь сечения сердечника S = ___________

Длина средней линии сердечника l =_________

Ток в первичной обмотке I = ________________

Напряжение на вторичной обмотке U = ________

Приложите осциллограммы:

синусоидального напряжения,

петли гистерезиса.

Дата________ Подпись преподавателя___________________

171

Описания лабораторных работ Электромагнетизм

Лабораторная работа № 62

ИЗМЕРЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА

МЕТОДОМ ПОПЕРЕЧНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Цель работы – определить удельный заряд электрона с помощью магне-

трона.

Приборы и принадлежности: электронная лампа, соленоид, источники

питания электронной лампы и соленоида, амперметр, миллиамперметр, вольт-

метр, реостат, потенциометр.

Общие положения

Удельным зарядом электрона называется отношение заряда к его массе. В

данной работе для определения удельного заряда электрона используют магне-

трон. Магнетрон представляет собой вакуумную электронную лампу (диод) с

цилиндрическим анодом и коаксиальным к нему катодом. Лампа помещается в

однородное магнитное поле, направленное параллельно оси анода. Магнитное

поле создается соленоидом, питаемым постоянным током. С помощью этого

поля осуществляется управление анодным током магнетрона.

В отсутствие внешнего магнитного поля (В=0, рис. 1) электроны, испус-

каемые раскаленным катодом, под действием электрического поля движутся на

анод по радиальным траекториям. В режиме насыщения диода все электроны,

вылетающие с поверхности катода, достигают анода.

В магнитном поле траектории элек-

тронов искривляются под действием силы

Лоренца. Магнитное поле отклоняет элек-

троны в направлении, перпендикулярном

направлению вектора скорости электронов.

Движение электрона приобретает сложный

характер, т.е. его траектория представляет

собой линию с изменяющейся кривизной

(рис. 1).

При возрастании индукции магнитно-

го поля траектории электронов будут все

больше искривляться и, начиная с некоторого критического значения индукции

магнитного поля В

кр

, они не будут достигать анода. При этом электроны воз-

вращаются на катод, и анодный ток резко уменьшается. На рис. 2 приведена

примерная зависимость анодного тока магнетрона от тока соленоида, опреде-

ляющего индукцию магнитного поля.

Рисунок 1

Следует отметить, что на зависимости I

=f(I

) не наблюдается вертикаль-

ного спада анодного тока при В=В

кр

, а имеет место лишь крутой спад этой кри-

вой. Крутизна спада анодного тока обусловлена как неодинаковой скоростью

термоэлектронов, так и другими факторами (отклонение электродов от пра-

вильной цилиндрической формы, нарушение их симметрии, а также краевые

172

Электромагнетизм Описания лабораторных работ

эффекты, возникающие вследствие того, что соленоид, катод и анод лампы

имеют конечную длину).

Будем считать, что электрическое поле

между катодом и анодом однородно. Элек-

трическое поле совершает работу по пере-

мещению электрона. При этом он получает

кинетическую энергию, которая численно

равна работе поля.

кр

Рисунок 2

. (1)

На электрон со стороны магнитного

поля действует сила Лоренца

vBeF

Эта сила сообщает электрону центростремительное ускорение. По второ-

му закону Ньютона

v =

, (2)

где R – радиус кривизны траектории электронов.

Исключив из равенств (1) и (2) скорость электрона v, получим

. (3)

Полагая, что радиус катода r значительно меньше радиуса анода (r<<R

можно считать, что при B=В

кр

электрон движется по окружности, радиус кото-

рой равен половине радиуса анода,

R =

Индукцию магнитного поля соленоида можно рассчитать по формуле:

кр

кр 0

μ=

(4)

где N – число витков соленоида; l – длина соленоида; I

кр

– сила тока через соле-

ноид, соответствующая В

кр

; μ

= 4π⋅10

−7

Гн/м – магнитная постоянная.

Подставив значения R и В=В

кр

в выражение (3), получим формулу для

расчета удельного заряда электрона:

2222

aкр

RNI

. (5)

173

Описания лабораторных работ Электромагнетизм

Описание экспериментальной установки

На рис. 3 представлена электрическая схема установки, с помощью кото-

рой выполняется измерение удельного заряда электрона.

P 1

R 1

R 2

K 1

K 2

И П

P 3

P 2

m A

Рисунок 3

В схеме использован цилиндрический диод с катодом косвенного подог-

рева переменным током. Питание магнетрона (анодное напряжение U

) осуще-

ствляется от источника питания постоянного тока. Потенциометр R1 и вольт-

метр V (Р3) служат для регулировки и измерения анодного напряжения. Анод-

ный ток измеряется с помощью миллиамперметра mA (Р2). Цепь соленоида со-

стоит из источника питания, амперметра А (Р1) и реостата R2, предназначенно-

го для изменения тока в соленоиде.

Подготовка к работе

(ответы представить в письменном виде)

1. В чем состоит цель работы?

Какие физические величины измеряются непосредственно?

По какой формуле Вы будете рассчитывать удельный заряд электрона? По-

ясните смысл обозначений.

Какие графики необходимо построить по результатам работы?

Как, пользуясь графиком I

=f(I

), определить критическое значение тока со-

леноида?

Выполнение работы

Определить цену деления приборов (вольтметра, амперметра и миллиампер-

метра). Записать значения радиуса анода R

, длины соленоида l, количества

витков N, которые указаны на установке.

Включить электропитание установки.

174

Электромагнетизм Описания лабораторных работ

3. Установить реостатом R1 анодное напряжение U

=5 В (если другое значение

не указано преподавателем), измерить ток анодной цепи I

. Затем включить в

цепь соленоид и, повышая реостатами R2 и R3 ток соленоида с наименьшим

шагом, который позволяет установка, фиксировать величину тока анода I

для каждого значения тока соленоида I

. Ток соленоида изменять во всем

диапазоне его изменения, получив 12-15 точек.

Повторить опыт для анодного напряжения U

=6 В и U

=7 В (если другие зна-

чения не указаны преподавателем).

Оформление отчета

1. Расчеты

1. Построить график зависимости анодного тока от тока соленоида I

=f(I

) для

каждого значения анодного напряжения.

По графику определить значение критического тока I

кр

(см. рис. 2) для каж-

дого анодного напряжения.

Рассчитать удельный заряд электрона e/m по формуле (5) для каждого анод-

ного напряжения.

Рассчитать среднее значение удельного заряда электрона.

Рассчитать абсолютную погрешность

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

как для прямых измерений.

Найти относительную погрешность измерений. Окончательный результат за-

писать в стандартном виде

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

Δ±

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

ср

2. Защита работы

(ответы представить в письменном виде)

1. Что называется удельным зарядом?

Что представляет собой магнетрон?

Какая сила действует на электрон, движущийся в магнитном поле? Запишите

соответствующую формулу. Как определяется направление этой силы?

Какую траекторию описывает электрон при различных значениях индукции

магнитного поля в магнетроне?

Сравните полученное значение удельного заряда электрона с табличным.

Сделайте вывод.

175

Описания лабораторных работ Электромагнетизм

ПРОТОКОЛ

измерений к лабораторной работе № 62

Выполнил(а)_____________________ Группа__________________

Определение цены деления приборов

№

п/п

Прибор

Предел подключения

с указанием единицы

измерения

Число деле-

ний на шка-

ле прибора

Цена деления

с указанием

единицы изме-

рения

1 Вольтметр

2 Миллиамперметр

3 Амперметр

Радиус анода R

= _____________________

Длина соленоида l =___________________

Число витков соленоида N = ___________

= U

№ п/п

, A I

, mA I

, A I

, mA I

, A I

, mA

Дата________ Подпись преподавателя___________________

176

Колебания и волны Описания лабораторных работ

Лабораторная работа №64

ЗНАКОМСТВО С РАБОТОЙ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Цель работы – ознакомиться с работой электронного осциллографа, по-

лучить на экране изображение контрольного сигнала. Провести градуировку

осциллографа для измерения переменного напряжения.

Приборы и принадлежности: электронный осциллограф, источник пере-

менного напряжения ВС-24М, вольтметр переменного тока.

Общие положения

Электронный осциллограф предназначен для визуального наблюдения

формы и определения частоты периодических электрических колебаний.

Основной деталью электронного осциллографа является электронно-

лучевая трубка, предназначенная для генерации электронного пучка и его фо-

кусировки. В трубку вмонтированы две взаимно перпендикулярные пары от-

клоняющих пластин. Если подавать напряжение на эти пластины, то между ни-

ми возникает электрическое поле, которое отклоняет пучок электронов. При

этом луч будет попадать в различные точки флюоресцирующего экрана. От-

клонение пучка пропорционально напряженности поля и, соответственно, по-

даваемому напряжению. На рис. 1 представлена принципиальная схема элек-

тронно-лучевой трубки. Трубка состоит из откачанной до высокого вакуума

стеклянной колбы, внутри которой помещаются:

1– подогреватель катода

2 – катод (источник электронов)

3 и 4 – электроды, фокусирующие и уско-

ряющие электроны

5 – горизонтально отклоняющие пластины

6 – вертикально отклоняющие пластины

7 – флюоресцирующий экран.

По пути к экрану электронный луч

проходит между двумя парами плоских пластин, из которых одна пара распо-

ложена горизонтально, а вторая – вертикально. Если пучок электронов прохо-

дит между двумя плоскими металлическими разноименно заряженными пла-

стинами, то электроны будут отклоняться в сторону положительно заряженной

пластины. Если изменить полярность пластины, то электроны будут отклонять-

ся в противоположную сторону. Если приложить к пластинам переменное на-

пряжение, то электронный луч будет отклоняться попеременно в сторону той

пластины, которая в данный момент окажется положительно заряженной.

Рис

нок 1

234

Таким образом, регулируя величину приложенного к пластинам напряже-

ния, можно регулировать величину отклонения луча. Описанные способы фо-

кусировки и отклонения называются электростатическими, так как происходят

под действием электрических полей.

177

Описания лабораторных работ Колебания и волны

Пластины, расположенные горизонтально, отклоняют электронный луч

вверх или вниз, поэтому их называют вертикально отклоняющими. Пластины,

расположенные вертикально, отклоняют луч в горизонтальном направлении,

поэтому их называют горизонтально отклоняющими.

Основные органы управления осциллографом делятся на несколько групп:

1. Органы управления электронным лучом. Регулировка яркости производится

потенциометром, у ручки которого имеется надпись «Яркость». Фокусиров-

ка луча производится потенциометром, у ручки которого имеется надпись

«Фокус». Смещение изображения в вертикальном направлении производит-

ся потенциометром, у ручки которого имеется маркировка «

b ». Смещение

изображения в горизонтальном направлении производится потенциометром,

у ручки которого имеется маркировка « ↔ »

2. Органы регулировки исследуемого напряжения. Исследуемое напряжение

подается на зажим, маркированный знаком «Вход Y», и зажим, маркирован-

ный знаком «⊥».

3. Регулировка усилителей горизонтального и вертикального отклонения.

Плавное изменение выходного напряжения производится ручками, имею-

щими надписи «Усиление X» и «Усиление Y».

4. Управление генератором развертки. Скачкообразное изменение частоты ге-

нератора развертки производится переключателем, у ручки которого имеет-

ся надпись «Диапазоны». Каждое фиксированное положение ручки отмече-

но цифрой, обозначающей среднюю частоту в герцах. В положении «0» ге-

нератор развертки отключается от усилителя горизонтального отклонения.

Плавное изменение частоты производится ручкой «Частота плавно».

5. Вспомогательные органы управления. Гнездо «Контр. сигнал» предназначе-

но для снятия напряжения контрольного сигнала. Это напряжение представ-

ляет собой гармоническое колебание частотой 50 Гц и эффективным напря-

жением 6,3 В.

Чувствительностью электронно-лучевой трубки называется отклонение

электронного луча от оси трубки в плоскости экрана (по сути это размер изо-

бражения по вертикали или горизонтали), соответствующее изменению напря-

жения на отклоняющих пластинах на 1 В:

h =

, (1)

где

l =

– отклонение электронного луча от оси электронно-лучевой трубки,

L – длина вертикальной линии на экране осциллографа;

– амплитудное значение напряжения, подаваемого на «Вход Y» ос-

циллографа.

График зависимости отклонения луча от амплитудного значения напря-

жения U

будет представлять собой прямую линию. Большинство электроизме-

рительных приборов показывает не мгновенные значения тока и напряжения, а

их действующие (эффективные) значения. Эффективные значения силы тока

и напряжения определяются мощностью, выделяемой в цепи перемен-

эф

178

Колебания и волны Описания лабораторных работ

ного тока. Они связаны с амплитудными значениями силы тока и напряжения

следующими соотношениями:

эф

I =

эф

U =

. (2)

Построив график зависимости l =f(U

), можно определить среднее значение

чувствительности h, как тангенс угла

наклона прямой (рис. 2). Расчетная

формула примет в

Рисунок 2

ид:

)

(

−

. (3)

При помощи этого графика можно оп-

ределять амплитудные значения пере-

менных напряжений, т. е. Осциллограф

можно использовать как амплитудный

вольтметр для напряжений любой час-

тоты.

Подготовка к работе

(ответы представить в письменном виде)

1. В чем состоит цель работы?

2. Какие физические величины измеряются непосредственно?

3. Какой график необходимо построить по результатам работы?

4. Запишите формулу, по которой рассчитывается среднее значение чувстви-

тельности осциллографа. Поясните смысл обозначений.

Выполнение работы

Задание 1. Наблюдение на экране синусоидального напряжения

1. Поставить выключатель «Сеть» в положение «Выкл.» и включить вилку

шнура в розетку сети «~220 В». Если на управляющей панели осциллографа

есть тумблер «Делитель напряжения», поставить его в положение «До 5 В».

2. Рукоятки управления поставить:

− «Яркость», «Фокус», «Усиление Х», «Усиление Y» и ручки смещения луча

по осям X и Y

− в среднее положение;

− «Переключатель диапазона» − в положение «30»;

− «Синхронизация» – в положение «Внутр.» или «От сети».

3. Включить тумблер «Сеть». Через 50

−60 секунд после включения в центре

экрана должен появиться горизонтальный штрих. Если изображения нет, то

ручками яркости и смещения луча добиться его появления и затем отрегули-

ровать яркость и фокус луча.

4. Выключить тумблер «Сеть». Соединить проводником гнездо «Контр. сиг-

нал» с зажимом «Вход Y», включить тумблер «Сеть». На экране должна

появиться синусоида, являющаяся изображением контрольного сигнала.

179

Описания лабораторных работ Колебания и волны

5. Ручками «Усиление Х» и «Усиление Y» установить на экране величину изо-

бражения, удобную для рассмотрения (3 до 5 делений масштабной сетки).

6. Ручкой «Частота плавно» установить неподвижное изображение одного или

нескольких периодов колебаний.

7. Вращая ручку «Синхронизация» окончательно установить неподвижное

изображение синусоиды. Зарисовать полученную осциллограмму, соблюдая

размеры.

Задание 2. Определение чувствительности осциллографа

1. Собрать схему согласно рис. 3.

2. Ручку «Усиление Х» вывести в

крайнее левое положение. Ручку

«Усиление Y»

не трогать. Пе-

реключатель на передней панели

осциллографа установить в по-

ложение «До 5 В».

3. Включить осциллограф и вы-

прямитель ВС-24М в сеть.

4. Вращая ручку потенциометра на

выпрямителе, установить такое напряжение, при котором наблюдаемая на

экране вертикальная линия не выходит за пределы экрана. Записать значение

напряжения и длины линии L.

ВС-24М

Вход Y

Осциллограф

Рисунок 3

5. Меняя напряжение от установленного значения до нуля произвести 5-7 из-

мерений длины линии L и напряжения U

эф

. Выключить осциллограф и вы-

прямитель.

Оформление отчета

1. Расчеты

1. Построить график l =f(U

), где

l =

– отклонение электронного луча от

оси электронно-лучевой трубки.

эфm

2UU = .

Рассчитать среднее значение чувствительности h, используя график и фор-

мулу (3).

Определить амплитудное значение синусоидального напряжения, осцилло-

грамма которого получена в упражнении 1, используя график

l =f(U

2. Защита работы

(ответы представить в письменном виде)

1. Каково назначение осциллографа?

Каково назначение электронно-лучевой трубки?

Что называют чувствительностью осциллографа? В каких единицах она из-

меряется?

Для каких целей можно использовать график l =f(U

Сравните полученное амплитудное значение синусоидального напряжения с

амплитудным значением контрольного сигнала. Сделайте вывод.

180