Онлайн тръби с киселец в магнитното поле

Тръби в магнитно поле:
Електрони по кръгова пътека

Последна промяна: 31 октомври 2020 г.

Ако изпратите електронен лъч през магнитно поле във вакуум, той ще бъде отклонен от права посока. Правилото отдясно (кой си спомня урока по физика?) Казва: В магнитно поле В движещият се електрически заряд e изпитва сила на Лоренц

F L = e Б. х v,

който действа перпендикулярно на посоката си на движение v. Това е показано на втората снимка вдясно. Би трябвало да можете да ги насочвате по кръгова пътека, нали? Тогава радиусът на орбитата r е достатъчно голям, че центробежната сила, насочена навън, компенсира силата на Лоренц, насочена навътре:

me е масата на електрона, д. р е радиално навън единичен вектор. Ако електроните летят в кръг, вместо в права линия към анода, тогава това трябва да се забележи в анодния ток, така че първото ми разглеждане. Поне ако магнитното поле е достатъчно силно. Затова взех тип EL84 пентод и го сложих в експерименталната база. След това свързах това към лабораторното си захранване: включен нагревател, катод до минус, анод и решетка на екрана до плюс, след това отрицателно напрежение от -10 волта към контролната мрежа. При напрежение от 200 волта в Андите успях да измерим около 20 mA аноден ток. Засега всичко е наред. Сега магнитното поле, което би трябвало да отклонява електроните: ако държа на стъклената крушка на тръбата силен магнит, супер магнит неодим-желязо-бор, тогава токът не трябва ли да намалее? Но нищо не се случва! Стрелката на милиметра не се движи и милиметър. Все пак не е толкова просто.

Така ли ще изглежда пътят на електроните (син) в тръбата, ако има магнитно поле, което е перпендикулярно на равнината на изображението? Чертежът показва структурата на радио пентода и "плана на полета" на електроните в магнитното поле. Те набират скорост в радиалната посока в електрическото поле между катода и решетката на екрана, но поради магнитната сила на Лоренц те се оказват по кръгова пътека, която води между решетката на екрана и анода около центъра, катода. Искаме да демонстрираме това.

Правилото за дясната ръка: палецът посочва посоката на движение, показалецът - магнитното поле, а средният пръст - силата на отклонение към центъра на кръга, който електронният път описва. Но бъдете внимателни: електроните са отрицателно заредени. Това обръща посоката на силата точно !

Тук EF 184 в експериментална настройка. Вдясно е магнитната намотка, която трябва да генерира магнитното поле.

Трябваше да заменя първоначално използвания EL84 с EF 89, EF 183 или EF 184. В EL84 спирачната решетка е вътрешно свързана с катода. В случай на EF 89 и другите пентоди, от друга страна, спирачната решетка се извежда навън чрез собствена връзка. Затегнах връзките на решетката на екрана, спирачната решетка и анода до +120 волта от захранващия блок с помощта на милиамперметър (или малък резистор всеки, на който измервам спада на напрежението с осцилоскоп).

Подобрената експериментална настройка. Първо поставих соленоид над тръбата, чието поле е успоредно на оста на тръбната система. Решетката на екрана, спирачната решетка и анодът също имат същия потенциал. Така че няма електрическо поле между решетката на екрана и анода. Тук върху електроните не действа електростатична сила, а само магнитната сила на Лоренц.

Идеята тук е, че електроните в пространството между решетката на екрана и анода са насочени към кръгова пътека от магнитното поле, като на циркова арена. Тук те могат да направят много кръга и да се задържат дълго време, преди да бъдат погълнати от най-близката решетка или от анода. Това зависи от радиуса на вашата траектория, който може да бъде повлиян от силата на магнитното поле. Ако радиусът на пътя му съответства на този на електрод, токът, протичащ през този електрод, трябва да се увеличи.

Но как да разбера колко силно е магнитното поле на моята намотка, когато изпращам определен ток през нея, да кажем 1 ампер? Съвсем просто, изчислявам това с L-Culator! От размерите на намотката и броя на завъртанията мога да използвам този инструмент, за да определя силата на полето в центъра на намотката. Използваната тук цилиндрична намотка има 530 завъртания, направени от емайлирана медна тел с дебелина 0,6 мм. Намотката има вътрешен диаметър 2,5 cm, външен диаметър 5 cm и дължина 2,7 cm. От тази информация L-Culator изчислява силата на полето от 15 mT при 1 A ток на бобината. Намотката може да издържи дори 4 A за кратко време, което след това води до максимум 60 mT. Това е повече от достатъчно за този експеримент. Електричеството за това идва от регулируемо лабораторно захранване, което може да достави достатъчно ампери. При 4 ампера намотката консумира около 75 вата мощност, казва L-Culator.

Намотката седи на тръбата. Просто огънах подходяща скоба от алуминий, за да позиционирам центъра на намотката над тръбната система. Сега експериментът може да започне.

Експерименталната настройка. Освен това свързах осцилоскоп, който не се вижда на снимката.

Вляво на снимката общ преглед на експерименталната настройка: Отзад вляво захранването за анодното и мрежовото напрежение, това тук. Вдясно от това е лабораторното захранване на магнита, с вграден амперметър. Но е полезно да свържете по-точен амперметър към линията на бобината. Отпред множество уреди, които измерват тока през съответната решетка g2, g3 или анода. Намотката с тръбата отдолу в центъра на картината. Поради голямото разсейване на мощността й дадох малък вентилатор, който осигурява известно охлаждане по време на измерването.

Ако сега усилвате бавно тока на бобината парче по парче, можете да отчетете токовете на милиамперметъра като функция от тока на бобината и по този начин магнитното поле. В началото въведох всичко на ръка в таблица. Това е малко кавга. Разбира се, по-практично е, ако направите всичко това с цифров осцилоскоп (така го направих в крайна сметка). Задвижва се „рампа“ с магнитното поле и възбуждащият ток се записва по оста x, а токът през съответния електрод по оста y. Но резултатът е същият.

Сега за резултатите:

Картината вдясно показва тока I.2 през екранната решетка на EF 184 като функция от магнитното поле Б., дадено в милитесла. Извинете за донякъде "кривите" цифрови стойности по оста x, но изчислих коефициента на пропорционалност между магнитното поле и тока на бобината (само този се измерва от осцилатора) след това.

Без магнитно поле тук тече ток от 0,3 mA, който първоначално е независим от магнитното поле. Токът на мрежата на екрана се повишава само от около 16-17 mT и достига максимум при 40 mT.

Какво се случва ? Е, под 16 mT полето е твърде слабо, за да отклони електроните от пътя им към ретардиращата решетка или към анода изобщо. Но след това, с още по-силно поле, все повече и повече електрони се насочват обратно към екранната решетка. Токът се повишава. При полета над 40 mT деформацията става толкова силна, че електроните от катода вече не могат дори да достигнат екранната решетка.

Нека сега да разгледаме спирачната решетка на EF 184. На първо място, забележимо е, че токът на ретардерната мрежа е много по-малък от тока на решетъчната мрежа, въпреки че и двете решетки са с един и същ потенциал. Това е така, защото забавящата решетка има много по-широки мрежи (всъщност на EF 184 това е просто ламарина с широки отвори) и електроните не намират мрежовите проводници толкова лесно.

Въпреки това, тук може да се види остър максимум на тока на мрежата при около 22 mT. При тази сила на полето електроните очевидно са на кръгова пътека около централния катод на тръбата, а радиусът на кръговата пътека съответства на радиуса на забавящата решетка. Тогава вероятността за удряне на спирачната решетка е особено голяма. Ако промените силата на полето, кръговата пътека става по-тясна или по-широка, поне след това води покрай спирачната решетка. Токът I.g3 намалява рязко във всеки случай.

Токът на спирачната решетка най-накрая изчезва над около 50 mT. Сега нито един електрон не стига толкова далеч.

Вдясно на снимката резултатът от същия експеримент с EF 89. Това е "обикновен" пентод със спирачна решетка, която е навита навсякъде. За разлика от това, EF 184, като т. Нар. „Тетрада на сноповия лъч“, има само две тесни метални ленти пред анода като спирачна решетка, към която електроните рядко се приближават. При EF 89 се наблюдава много по-изразен максимум на тока на спирачната решетка. При сила на полето около 25-28 mT I.g3 е нараснал до над три пъти повече от този на EF 184.

Накрая токът през най-външния от тръбните електроди, анода. Анодният ток изчезва почти напълно над 30 mT. Това беше очаквано. Електроните летят по тесни кръгови пътеки, които ги водят до екрана или спирачната решетка.

Малко теория в края

Ъгълът на отклонение α, с който електронният път се отклонява от радиалната посока на движение между катода и анода на тръбата, е (за това трябва да се изчисли силата на Лоренц, която действа върху електрона):

м e = 9,109 10 -31 kg е масата на електроните, д = 1.602 10 -19 C е елементарният заряд, r разстоянието от катода (в м), U (r) потенциала в тази точка (във волта), и Б. силата на магнитното поле (в Тесла). Кръговият път се достига, когато α е равно на 90 °. Тогава синусът е равен на 1. За радиуса на орбитата R. k вече може да се посочи следната формула, при която споменатите естествени константи са в числовия префактор:

С EF 184 приложехме напрежение от 120 V към анода и двете външни решетки. Наблюдавахме максимума на тока на спирачната решетка при Б. = 22 mT. Това означава, че радиусът на кръговата пътека тук трябва да бъде идентичен с радиуса на спирачната решетка (ламарина). Формулата води до радиус от 3,4 мм, което изглежда доста реалистично за този тип тръби.