Tuburi online de Sorrel în câmpul magnetic
Tuburi într-un câmp magnetic:
Electronii pe o cale circulară
Ultima modificare: 31 octombrie 2020
Dacă trimiteți un fascicul de electroni printr-un câmp magnetic în vid, acesta va fi deviat din direcția dreaptă. Regula mâinii drepte (cine își amintește clasa de fizică?) Spune: Într-un câmp magnetic B, o sarcină electrică în mișcare e experimentează o forță Lorentz
F L = e B. X v,
care acționează perpendicular pe direcția sa de mișcare v. Acest lucru este prezentat în a doua imagine din dreapta. Ar trebui să le poți orienta pe o cale circulară, nu? Raza orbitei r este apoi suficient de mare încât forța centrifugă îndreptată spre exterior compensează forța Lorentz îndreptată spre interior:
eu sunt masa electronului, e r este vectorul de unitate radial exterior. Dacă electronii zboară într-un cerc în loc de o linie dreaptă către anod, atunci acest lucru ar trebui să fie vizibil în curentul anodic, deci prima mea considerație. Cel puțin dacă câmpul magnetic este suficient de puternic. Așa că am luat un pentod de tip EL84 și l-am pus în baza experimentală. Apoi am conectat acest lucru la sursa mea de laborator: încălzitorul pornit, catodul la minus, anodul și rețeaua ecranului la plus, apoi o tensiune negativă de -10 volți la rețeaua de control. La tensiunea andină de 200 de volți, am putut măsura aproximativ 20 mA curent anodic. Până acum este în regulă. Acum, câmpul magnetic care ar trebui să devieze electronii: dacă țin un magnet puternic, un super magnet neodim-fier-bor, pe becul de sticlă al tubului, nu ar trebui să scadă curentul? Dar nu se întâmplă nimic! Mâna miliametrului nu se mișcă niciun milimetru. La urma urmei, nu este atât de simplu.
Așa va arăta calea electronilor (albastru) din tub dacă există un câmp magnetic care este perpendicular pe planul imaginii? Desenul prezintă structura unui pentod radio și „planul de zbor” al electronilor din câmpul magnetic. Aceștia cresc viteza în direcția radială în câmpul electric dintre catod și rețeaua ecranului, dar din cauza forței magnetice Lorentz ajung pe o cale circulară care duce între rețeaua ecranului și anod în jurul centrului, catodul. Vrem să demonstrăm asta.
Regula mâinii drepte: degetul mare indică direcția de mișcare, degetul arătător câmpul magnetic, iar degetul mijlociu forța de deviere către centrul cercului descris de calea electronilor. Aveți grijă însă: electronii sunt încărcați negativ. Aceasta inversează direcția forței exact !
Aici un EF 184 într-o configurație experimentală. În dreapta este bobina magnetică care ar trebui să genereze câmpul magnetic.
A trebuit să înlocuiesc EL84 folosit inițial cu un EF 89, EF 183 sau EF 184. În EL84, grila de frânare este conectată intern la catod. Pe de altă parte, în cazul unui EF 89 și al celorlalți pentoduri, grila de frână este condusă spre exterior prin propria conexiune. Am prins conexiunile rețelei ecranului, rețelei de frână și anodului la +120 volți de la unitatea de alimentare folosind un miliammetru (sau un rezistor mic, pe care măsoară căderea de tensiune cu un osciloscop).
Configurarea experimentală îmbunătățită. Mai întâi am pus un solenoid peste tub, al cărui câmp este paralel cu axa sistemului de tuburi. Grila ecranului, grila frânei și anodul sunt, de asemenea, la același potențial. Deci nu există câmp electric între rețeaua ecranului și anod. Aici nici o forță electrostatică nu acționează asupra electronilor, ci doar forța magnetică Lorentz.
Ideea aici este că electronii din spațiul dintre rețeaua ecranului și anod sunt direcționați pe o cale circulară de câmpul magnetic, ca într-o arenă de circ. Aici pot face multe runde și rămâne mult timp înainte de a fi absorbiți de cea mai apropiată rețea sau de anod. Acest lucru depinde de raza traiectoriei dvs., care poate fi influențată de puterea câmpului magnetic. Dacă raza orbitei sale corespunde cu cea a unui electrod, atunci curentul care curge prin acest electrod ar trebui să crească.
Dar de unde știu cât de puternic este câmpul magnetic al bobinei mele atunci când trimit un anumit curent prin ea, să zicem 1 ampere? Pur și simplu, calculez asta cu L-Culator! Din dimensiunile înfășurării și numărul de rotații, pot folosi acest instrument pentru a determina intensitatea câmpului în centrul bobinei. Bobina cilindrului utilizată aici are 530 de rotații din sârmă de cupru emailată cu grosimea de 0,6 mm. Bobina are un diametru interior de 2,5 cm, un diametru exterior de 5 cm și o lungime de 2,7 cm. Din aceste informații, L-Culator calculează o intensitate a câmpului de 15 mT la 1 A curent bobină. Bobina poate rezista chiar și 4 A pentru o perioadă scurtă de timp, ceea ce duce la maxim 60 mT. Acest lucru este mai mult decât suficient pentru acest experiment. Electricitatea pentru aceasta provine dintr-o sursă de alimentare reglabilă de laborator, care poate furniza suficient amperi. La 4 amperi, bobina consumă aproximativ 75 de wați de putere, spune L-Culator.
Bobina stă pe tub. Pur și simplu am îndoit un suport adecvat din tablă de aluminiu pentru a poziționa centrul bobinei peste sistemul de tuburi. Acum experimentul poate începe.
Configurarea experimentală. De asemenea, am conectat un osciloscop care nu poate fi văzut în imagine.
În stânga în imagine, prezentarea generală a configurației experimentale: în partea din stânga, sursa de alimentare pentru anod și tensiunea rețelei, aceasta aici. În dreapta acestuia se află sursa de alimentare de laborator pentru magnet, cu un ampermetru încorporat. Dar este util să conectați un ampermetru mai precis la linia bobinei. În față un instrument multiplu care măsoară curentul prin grila relevantă g2, g3 sau anod. Bobina cu tubul de dedesubt în centrul imaginii. Din cauza disipării ridicate a puterii, i-am acordat un mic ventilator care asigură o răcire în timpul măsurării.
Dacă acum ridicați încet curentul bobinei bit cu bit, puteți citi curenții de pe miliammetru în funcție de curentul bobinei și, astfel, câmpul magnetic. La început am introdus totul de mână într-o masă. Este un pic cam greu. Desigur, este mai practic dacă faceți toate acestea cu un osciloscop digital (așa am făcut-o până la urmă). O "rampă" este acționată cu câmpul magnetic și curentul de excitație este înregistrat pe axa x și curentul prin electrodul respectiv pe axa y. Dar rezultatul este același.
Acum pentru rezultate:
Imaginea din dreapta arată curentul I.2 prin grila ecranului unui EF 184 în funcție de câmpul magnetic B., dat in millitesla. Îmi pare rău pentru valorile numerice oarecum „strâmbe” de pe axa x, dar am calculat factorul de proporționalitate între câmpul magnetic și curentul bobinei (numai acesta este măsurat de oscilator) după aceea.
Fără un câmp magnetic, curge aici un curent de 0,3 mA, care este inițial independent de câmpul magnetic. Curentul rețelei ecranului crește doar de la aproximativ 16-17 mT și atinge un maxim la 40 mT.
Ce se întâmplă ? Ei bine, sub 16 mT câmpul este prea slab pentru a devia electronii de la calea lor la rețeaua de întârziere sau la anod. Dar apoi, cu un câmp și mai puternic, tot mai mulți electroni sunt direcționați înapoi către grila ecranului. Curentul crește. Cu câmpuri peste 40 mT, devierea devine atât de puternică încât electronii din catod nu mai pot ajunge nici măcar la rețeaua ecranului.
Să aruncăm o privire acum la grila de frână a modelului EF 184. În primul rând, se observă că curentul rețelei de întârziere este mult mai mic decât curentul rețelei ecranului, deși ambele rețele au același potențial. Acest lucru se datorează faptului că rețeaua de întârziere are ochiuri mult mai largi (de fapt, pe EF 184 este doar o tablă cu deschideri largi) și că electronii nu găsesc firele rețelei atât de ușor.
Cu toate acestea, un maxim ascuțit al curentului rețelei poate fi văzut aici la aproximativ 22 mT. Cu această intensitate a câmpului, electronii sunt evident pe o cale circulară în jurul catodului central al tubului, iar raza căii circulare corespunde razei rețelei de întârziere. Probabilitatea de a atinge grila de frânare este atunci deosebit de mare. Dacă intensitatea câmpului este modificată, traiectoria circulară devine mai îngustă sau mai largă, în orice caz apoi trece pe lângă grila de frânare. Curent I.g3 scade brusc în orice caz.
Curentul grilei de frână dispare în cele din urmă peste aproximativ 50 mT. Niciun electron nu ajunge atât de departe.
În dreapta în imagine rezultatul aceluiași experiment cu un EF 89. Acesta este un pentod "obișnuit" cu o grilă de frânare care este înfășurată în jur. Spre deosebire de aceasta, EF 184, ca așa-numit „tetrode cu fascicul de fascicul”, are doar două benzi metalice înguste în fața anodului ca rețea de întârziere, pe care electronii o abordează rar. Cu EF 89 se observă un maxim mult mai pronunțat al curentului rețelei de frână. La puteri de câmp în jur de 25-28 mT I.g3 a crescut de peste trei ori mai mult decât EF 184.
În cele din urmă, curentul prin exteriorul electrozilor tubului, anodul. Curentul anodic dispare aproape complet peste 30 mT. Asta era de așteptat. Electronii zboară pe căi circulare înguste care îi conduc spre ecran sau grila de frânare.
O mică teorie la final
Unghiul de deviere α prin care calea electronică se abate de la direcția radială de mișcare între catod și anodul tubului este (pentru aceasta trebuie calculată forța Lorentz care acționează asupra electronului):
m e = 9.109 10 -31 kg este masa electronilor, e = 1,602 10 -19 C este sarcina elementară, r distanța de la catod (în m), U (r) potențialul în acel moment (în volți) și B. puterea câmpului magnetic (în Tesla). Calea circulară este atinsă când α este egal cu 90 °. Sinusul este apoi egal cu 1. Pentru raza orbitei R. k se poate afirma acum următoarea formulă, prin care constantele naturale menționate se află în prefactorul numeric:
Cu EF 184 am aplicat o tensiune de 120 V anodului și celor două rețele exterioare. Am observat curentul maxim al grilei de frână la B. = 22 mT. Aceasta înseamnă că raza traseului circular aici trebuie să fie identică cu raza grilei de frână (tablă). Formula are ca rezultat o rază de 3,4 mm, ceea ce pare destul de realist pentru acest tip de tub.