Опыт 5. Движение электронов в магнитном и электрическом поле

Цель опыта : продемонстрировать влияние магнитного поля на траекторию движения электронов и показать воздействие магнитного поля на работу вакуумного диода.

Оборудование:

электронная лампа

реостат 100 Ом

потенциометр 470 Ом

резистор 360 Ом

источник питания накала

источник постоянного тока

ключ

цифровой милливольтметр (постоянного тока)

цифровой вольтметр

постоянный магнит

Для демонстрации влияния магнитного поля на работу вакуумного диода соберите электрическую цепь согласно схеме, представленной на рис 1. Для регулирования тока накала используется реостат R₁ (100 Ом), а для выбора анодного напряжения – потенциометр R₂ (470 Ом).

рис 1.

Установите ток накала катода 500 мА, повернув ручку переменного резистора в крайне правое положение. Подайте на анодно-катодный промежуток напряжение 24 В.

Обратите внимание учащихся на равномерность свечения анода и величину анодного тока.

Установите под платформу постоянный магнит , намагниченный в аксиальном направлении. Снова закрепите платформу на доске таким образом, чтобы магнит оказался под вакуумным диодом. Конструкции платформы такова, что магнит оказывается смещенным относительно центра платформы. Это позволяет получить в диоде области с разной величиной магнитного поля. Отметим, что направления магнитного и электрического поля в диоде совпадают.

Обратите внимание учащихся на уменьшение тока, протекающего через вакуумный диод, и изменение картины свечения анода. В области сильного магнитного поля (непосредственно над магнитом), направленного перпендикулярно поверхности классной доски, на аноде светятся узкие полосы, которые фактически являются изображением катодных нитей. В то же время в удаленной от магнита области электронной лампы свечение анода остается равномерным.

Наблюдаемые эффекты объясняются тем, что в магнитном поле электроны движутся по спиральным траекториям, оси которых совпадают с силовыми линиями магнитного поля. Это приводит к тому, что электроны не могут распространяться в поперечных по отношению к магнитному полю направлениях и попадать на всю поверхность анода. Катод лампы состоит из отдельных нитей, и начиная движение на их поверхности, электроны движутся в направлении анода (в соответствии с приложенным электрическим полем), почти не отклоняясь от направления силовых линий магнитного поля. Поэтому светящиеся области анода приобретают явно выраженную нитевидную структуру.

Уменьшение тока через диод объясняется следующим образом. Электроны – заряженные частицы, которые создают вокруг себя электрическое поле. Электрическое поле в промежутке катод – анод складывается из внешнего поля, приложенного между электродами, и поля, создаваемого электронами, движущимися от катода к аноду. Наличие электронов в межэлектродном промежутке уменьшает поле на катоде (по сравнению со случаем, когда электронов нет). При наличии магнитного поля область пространства, в которой движутся электроны, существенно уменьшается, поэтому плотность электронов заметно возрастает. Это приводит к тому, что создаваемое электронами поле увеличивается и уменьшает результирующее электрическое поле на катоде. Данный эффект носит название «ограничение тока вакуумного диода пространственным зарядом». Именно он лежит в основе действия «закона трех вторых», упомянутого при обсуждении вольтамперных характеристик диода.

Если выполнить эксперимент с магнитным полем в условиях насыщения диода (понизив ток накала до 330 мА), то влияние магнитного поля на величину тока через диод существенно уменьшится (перестанет регистрироваться).

Опыт 6. Трехэлектродная электронная лампа (триод)

Цель опыта: продемонстрировать работу вакуумного триода и, в частности, влияние сеточного потенциала на ток в цепи анода.

Оборудование:

электронная лампа

реостат 100 Ом

потенциометр 470 Ом

резистор 360 Ом

источник питания вакуумной лампы

источник постоянного тока

цифровой милливольтметр (постоянного тока)

цифровой вольтметр

ключ

В данном опыте демонстрируется возможность управления силой тока в цепи анода триода при изменении потенциала сетки. Демонстрируется работа триода в ключевом режиме (при этом осуществляется запирание анодного тока сеточным потенциалом) и в усилительном режиме, когда изменение анодного тока происходит при варьировании потенциала сетки. Включение триода с отрицательным потенциалом на сетке позволяет существенно повысить входное сопротивление триода, сократив ток через сетку до незначительной величины.

Соберите электрическую цепь по схеме, изображенной на рис. 1. Для питания сетки следует использовать источник постоянного тока, который входит в комплект. Потенциал на анод подается от выпрямителя В-24, или любого другого регулируемого источника постоянного тока. Для регулирования тока накала используется реостат R₁ (100 Ом), а для установки напряжения на сетке – потенциометр R₂ (470 Ом). В цепь анода включен резистор R₃сопротивлением 360 Ом, напряжение на котором измеряется цифровым милливольтметром. Это сделано для того, чтобы получить возможность регистрировать силу тока в диапазоне от 10 мкА.

Рис. 1

Установите ток накала катода 500 мА, повернув ручку переменного резистора в крайне правое положение. Анодное напряжение также сделайте максимальным (30 В)

Изменяя потенциал сетки с помощью потенциометра и контролируя его по вольтметру, продемонстрируйте учащимся происходящие при этом изменения силы анодного тока, которая пропорциональна напряжению на резисторе R₃.

Плавной настройкой потенциометра R₂ добейтесь такого напряжения на промежутке «катод-сетка», чтобы полностью прекратилось свечение анода. Ток анода (напряжение на резисторе R₃) при этом должен стать равным нулю. Напряжение между сеткой и катодом, при котором анодный ток становится равным нулю, называют напряжением запирания вакуумного триода. Электроны, вылетевшие с катода, при этом не могут преодолеть потенциального барьера, создаваемого сеткой.

Сеточная характеристика при таком включении триода представлена на рис.2. В другом варианте включения вакуумного триода (на сетку подается положительный потенциал) напряжение на сетке ускоряет электроны. Сеточная характеристика в этом случае представлена на рис.3. При таком включении ток анода измеряется миллиамперметром.

* * *

Описанные выше демонстрационные опыты, в основном, исчерпывают то, что может быть показано на уроках физики в средней школе при изучении темы «Электрический ток в вакууме». Однако особенности устройства используемой в наборе электронной лампы позволяют выполнить еще ряд экспериментов, посвященных изучению зависимости сопротивления металла от температуры и закономерностей излучения электромагнитных волн нагретыми телами.