Лабораторний практикум з фізики. Частина 3 (ядерна фізика, статистична фізика і термодинаміка, фізика твердого тіла)

Предмет:

Фізика

Тип роботи:

Навчальний посібник

К-сть сторінок:

142

Мова:

Українська

Оцінка:

розміщують у середній частині соленоїда так, що вісь лампи збігається з віссю соленоїда. При відсутності магнетного поля в соленоїді електрони під дією електричного поля, прикладеного між катодом і анодом, рухаються вздовж радіальних прямих. При наявності електричного струму в обмотці соленоїда в електронній лампі виникне магнетне поле, силові лінії якого направлені паралельно осі лампи, а на електрони почне діяти сила Лоренца:

де е – заряд електрона, рівний 1, 610-19 Кл;

– швидкість руху електрона;

– індукція магнетного поля.

При дії цієї сили, направленої в кожний момент часу перпендикулярно вектору швидкості, траєкторія електронів стає криволінійною.

Розглянемо дещо детальніше рух електронів в електронній лампі магнетрона. Для пояснення цього руху скористаємося циліндричною системою координат (рис. 6. 5. 1), в якій положення електрона визначається відстанню його від осі лампи r, полярним кругом  і зміщення вздовж осі Z (напрямлена вздовж осі лампи).

Електричне поле, яке має лише радіальну компоненту, діє на електрон з силою, яка напрямлена по радіусу від катода до анода. Магнетна сила, яка діє на електрон з боку магнетного поля, не має складової вздовж осі Z. Тому електрон, який вилітає з катода без початкової швидкості (початкові швидкості електронів, які визначаються температурою катода, набагато менші швидкостей, набутих за рахунок електричного поля лампи), рухається в площині, перпендикулярній осі Z. Момент імпульсу Lz електрона відносно осі Z.

Рис. 6. 5. 1

де – складова швидкості, перпендикулярна радіусу r.

Момент М сил, діючих на електрон відносно осі Z, визначається тільки складовою магнетної сили (сили Лоренца), перпендикулярної r. Електрична сила і складова магнетної сили, напрямлені вздовж радіуса r, моменту відносно осі Z не створюють. Тому

Таким чином, визначивши експериментально Вкр, можна за формулою (9) розрахувати величину е/m. Для знаходження Вкр в лампі слід установити різницю потенціалів між анодом і катодом і, ввімкнувши струм в соленоїді, поступово збільшувати його, збільшуючи тим самим магнетне поле в лампі.

Якби всі електрони залишали катод зі швидкістю, рівною нулю, то залежність величини анодного струму в лампі від величини індукції магнетного поля мала б вигляд, як це показано пунктирною лінією на рис. 6. 5. 2.

В цьому випадку при В<Вкр всі електрони, які вилетіли з катода долетять до анода, а при В>Вкр жоден електрон не долетить до анода.

В реальній лампі завжди є деяка некоаксіальність катода і анода, а також залишки газу. Крім того в соленоїді магнетне поле не є строго однорідним. Все це приводить до того, що різні електрони досягають критичних значень при різних значеннях магнетного поля В. Тому реальна залежність відрізняється від теоретичної (рис. 6. 5. 2).

Порядок виконання роботи

Для визначення питомого заряду електрона методом магнетрона зібрана електрична схема згідно з рис. 6. 5. 3

Електронна лампа розміщена всередині соленоїда, величина струму в якому регулюється реостатом випрямляча ВС-24. Анодна напруга і струм розжарювання електронної лампи подаються від випрямляча ВС-12.

Рис. 6. 5. 2

1. Подати на анод електронної лампи анодну напругу 6, 3 В. Величину цієї напруги виміряти за допомогою вольтметра.

Змінюючи струм в соленоїді від мінімального значення до максимального через 0, 1 А при сталій анодній напрузі, одержати залежність Ia=f (Ic). Результати вимірювань занести до таблиці.

Рис. 6. 5. 3

3. Побудувати залежність Ia=f (Іc). Критичний струм відповідає точці перегину дотичних до спаду залежності Ia=f (Іc) і найменших значень анодного струму, як це показано на рис. 6-5. 4.

Рис. 6. 5. 4

4. Обчислити питомий заряд електрона е/m, скориставшись формулами (9) і (10). Значення L, D, N, rа, rK подані на панелі лабораторної установки.

Обчислити похибку вимірювань е/m.

Контрольні запитання

1. В чому полягає суть методу магнетрона для знаходження відношення е/m?

2. Чи вплине на величину Вкр зміна напрямку струму в соленоїді?

3. Як працюють мас-спектрометри?

РОЗДІЛ ДРУГИЙ ЕЛЕМЕНТИ СТАТИСТИЧНОЇ ФІЗИКИ ТА ТЕРМОДИНАМІКИ

Лабораторна робота № 7. 1 ВИЗНАЧЕННЯ ВІДНОШЕННЯ ТЕПЛОЄМНОСТЕЙ ГАЗУ МЕТОДОМ КЛЕМАНА-ДЕЗОРМА

Мета роботи: визначити експериментальне відношення теплоємностей повітря.

Прилади та матеріали: прилад Клемана-Дезорма, манометр, насос.

Теоретичні відомості

Стан газу може бути охарактеризований трьома величинами – параметрами стану, тиском р, об'ємом V, температурою Т. Рівняння, що пов'язує ці величини, називається рівнянням стану газу.

Рівнянням стану ідеального газу є рівняння Менделеєва-Клапейрона, яке для одного моля газу має вигляд:

pV=RT, (1)

де R – молярна газова стала.

Теплоємність газів залежить від умов нагрівання. З'ясуємо цю залежність, використовуючи рівняння стану (1) і перший закон термодинаміки, який формулюється так: кількість теплоти dQ, що передається системі, витрачається на збільшення її внутрішньої енергії dU і на роботу dA, що виконує система проти зовнішніх сил:

dQ=dU+Da. (2)

За означенням теплоємність дорівнює:

З рівняння (3) видно, що