Sóska-online csövek a mágneses mezőben
Csövek mágneses mezőben:
Elektronok egy kör alakú úton
Utolsó változás: 2020. október 31
Ha egy elektronnyalábot egy vákuumban mágneses téren keresztül küld, akkor az egyenes irányból eltérül. A jobbkezes szabály (ki emlékszik a fizika órára?) Azt mondja: A B mágneses mezőben a mozgó elektromos töltés Lorentz-erőt tapasztal
F L = e B. x v,
amely merőleges a mozgásirányára v. Ez a jobb oldali második képen látható. Képesnek kellene lenned körkörös irányba terelni őket, igaz? Az r pálya sugara ekkor éppen elég nagy ahhoz, hogy a kifelé mutató centrifugális erő ellensúlyozza a befelé mutató Lorentz-erőt:
me az elektron tömege, e r a sugárirányban kifelé irányuló egységvektor. Ha az elektronok az anódhoz vezető egyenes út helyett körben repülnek, akkor ennek észrevehetőnek kell lennie az anódáramban, ezért első szempontom. Legalábbis, ha a mágneses mező elég erős. Szóval vettem egy EL84 típusú pentódát és betettem a kísérleti bázisba. Ezt követően csatlakoztattam ezt a laboratóriumi tápegységemhez: fűtőberendezés be, katód mínuszba, anód és képernyő rács pluszba, majd negatív feszültség -10 volt a vezérlőhálózatba. 200 voltos andoki feszültség mellett körülbelül 20 mA anódáramot tudtam mérni. Eddig rendben van. Most az a mágneses mező, amely állítólag eltéríti az elektronokat: ha erős mágnest, neodímium-vas-bór szupermágneset tartok a cső üveggömbjén, akkor nem szabad, hogy csökkenjen az áram? De semmi sem történik! A milliaméter keze nem mozog millimétert. Végül is nem ilyen egyszerű.
Így fog kinézni a csőben lévő elektronok (kék) útja, ha van egy mágneses mező, amely merőleges a képsíkra? A rajz egy rádió-pentód szerkezetét és a mágneses mezőben lévő elektronok "repülési tervét" mutatja. Sugárirányban veszik fel a sebességet a katód és a képernyőrács közötti elektromos mezőben, de a mágneses Lorentz-erő miatt kör alakú pályára kerülnek, amely a képernyőrács és a középpont, a katód körüli anód között vezet. Ezt szeretnénk demonstrálni.
Jobb oldali szabály: a hüvelykujj jelzi a mozgás irányát, a mutatóujj a mágneses teret, a középső pedig a hajlító erőt a kör közepére, amelyet az elektronút leír. De légy óvatos: az elektronok negatív töltésűek. Ez pontosan megfordítja az erő irányát !
Itt egy EF 184 kísérleti beállítással. Jobb oldalon található a mágneses tekercs, amely állítólag mágneses teret generál.
Az eredetileg használt EL84-et EF 89-re, EF 183-ra vagy EF 184-re kellett cserélnem. Az EL84-ben a fékrács belső kapcsolatban van a katóddal. Az EF 89 és a többi pentód esetében viszont a fékrácsot a saját csatlakozásán keresztül vezetik kifelé. A képernyőrács, a fékrács és az anód csatlakozásait +120 voltra feszítettem a tápegységről egy milliaméter (vagy egy-egy kis ellenállás, amelyen oszcilloszkóppal mérem a feszültségesést) segítségével.
A továbbfejlesztett kísérleti beállítás. Először egy mágnesszelepet tettem a csőre, amelynek mezője párhuzamos a csőrendszer tengelyével. A képernyő rács, a fékrács és az anód szintén azonos potenciállal rendelkezik. Tehát nincs elektromos mező a képernyő rács és az anód között. Itt semmilyen elektrosztatikus erő nem hat az elektronokra, csak a mágneses Lorentz erő.
Az ötlet itt az, hogy a képernyőrács és az anód közötti térben lévő elektronokat a mágneses mező egy kör alakú pályára irányítja, akárcsak egy cirkuszi arénában. Itt sok kört tudnak megtenni és sokáig elidőzhetnek, mielőtt a legközelebbi rács vagy az anód elnyeli őket. Ez függ a pályájának sugarától, amelyet a mágneses tér erőssége befolyásolhat. Ha pályája sugara megegyezik az elektróda sugárjával, akkor az ezen az elektródon átáramló áramnak meg kell nőnie.
De honnan tudhatom, hogy milyen erős a tekercsem mágneses tere, amikor egy bizonyos áramot küldök rajta, mondjuk 1 ampert? Egész egyszerűen ezt kiszámolom az L-Culator segítségével! A tekercs méretei és a fordulatok száma alapján ezzel az eszközzel meghatározhatom a tekercs közepén a térerősséget. Az itt használt hengertekercs 530 fordulatot tartalmaz 0,6 mm vastag zománcozott rézhuzalból. A tekercs belső átmérője 2,5 cm, külső átmérője 5 cm, hossza 2,7 cm. Ezen információk alapján az L-Culator kiszámítja a 15 mT térerősséget 1 A tekercsáramon. A tekercs rövid ideig akár 4 A-t is képes ellenállni, ami aztán maximum 60 mT-t eredményez. Ez több mint elég ehhez a kísérlethez. Az áram ehhez egy állítható laboratóriumi tápegységből származik, amely elegendő ampert képes leadni. 4 amperes teljesítmény esetén a tekercs körülbelül 75 watt energiát fogyaszt, mondja az L-Culator.
A tekercs a csövön ül. Egyszerűen meghajlítottam egy megfelelő konzolt alumíniumlemezből, hogy a tekercs közepét a csőrendszer fölé helyezzük. Most kezdődhet a kísérlet.
A kísérleti beállítás. Ezen kívül csatlakoztattam egy oszcilloszkópot, amely a képen nem látható.
A kép bal oldalán a kísérleti beállítás általános áttekintése: Hátul balra az anód és a hálózati feszültség tápellátása, ez itt. Ettől jobbra található a mágnes laboratóriumi tápellátása, beépített ampermérővel. De célszerű pontosabb ampermérőt csatlakoztatni a tekercs vonalához. Elöl egy többszörös műszer, amely az áramot a vonatkozó g2, g3 rácson vagy az anódon keresztül méri. A tekercs, amelynek csöve lent van, a kép közepén. A nagy teljesítményveszteség miatt adtam neki egy kis ventilátort, amely némi hűtést biztosít a mérés során.
Ha most lassan apránként felforgatja a tekercsáramot, leolvashatja a milliaméteren lévő áramokat a tekercsáram és így a mágneses mező függvényében. Az elején mindent kézzel írtam be egy táblázatba. Ez egy kis gond. Természetesen praktikusabb, ha mindezt digitális oszcilloszkóppal végzi (végül így csináltam). A "rámpát" a mágneses tér mozgatja, és a gerjesztési áramot rögzítik az x tengelyre, és az áramot a megfelelő elektródon keresztül az y tengelyre. De az eredmény ugyanaz.
Most az eredményekről:
A jobb oldali képen az áram látható ÉN.2 a mágneses mező függvényében az EF 184 képernyő rácsán keresztül B., milliteslában adott. Elnézést az x tengely némileg "görbe" számértékei miatt, de utána kiszámoltam a mágneses tér és a tekercsáram közötti arányossági tényezőt (csak ezt méri az oszcillátor).
Mágneses tér nélkül itt 0,3 mA áram folyik, amely kezdetben független a mágneses tértől. A képernyő rácsárama csak 16-17 mT körül emelkedik, és a maximumot 40 mT-nál éri el.
Mi történik ? Nos, 16 mT alatt a mező túl gyenge ahhoz, hogy az elektronokat a retardáló rácshoz vagy az anódhoz vezető útjukról eltérítse. De ekkor még erősebb mezővel egyre több elektron irányul vissza a képernyő rácsára. Az áram emelkedik. 40 mT feletti terek esetén az elhajlás olyan erőssé válik, hogy a katód elektronjai már nem is érik el a képernyőrácsot.
Vessünk egy pillantást az EF 184 fékrácsára. Először is észrevehető, hogy a retarder rácsáram sokkal kisebb, mint a képernyő rácsárama, bár mindkét rács azonos potenciállal rendelkezik. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a retardációs rács sokkal szélesebb hálóval rendelkezik (valójában az EF 184-hez ez csak egy széles nyílású fémlemez), és hogy az elektronok nem találják olyan könnyen a rácshuzalokat.
Ugyanakkor a rácsáram éles maximuma itt látható 22 mT körül. Ennél a térerősségnél az elektronok nyilvánvalóan kör alakú úton haladnak a cső központi katódja körül, és a körpálya sugara megegyezik a késleltető rács sugarával. A fékrács elütésének valószínűsége ekkor különösen nagy. Ha a térerősség megváltozik, a körút keskenyebbé vagy szélesebbé válik, mindenesetre ezután a fékrács mellett vezet. A jelenlegi ÉN.a g3 mindenesetre meredeken csökken.
A fékrácsáram végül kb. 50 mT felett eltűnik. Most egyetlen elektron sem jut ilyen messzire.
A kép jobb oldalán ugyanazon kísérlet eredménye az EF 89-gyel. Ez egy "hétköznapi" pentód, fékrácsral, amely körbe van tekerve. Ezzel szemben az EF 184 úgynevezett "nyalábköteg-tetródként" csak két keskeny fémcsíkkal rendelkezik az anód előtt retardációs rácsként, amelyet az elektronok ritkán közelítenek meg. Az EF 89 esetén a fékrácsáram sokkal kifejezettebb maximuma figyelhető meg. 25-28 mT körüli térerőnél ÉN.A g3 az EF 184 értékének több mint háromszorosára nőtt.
Végül az áramot a csőelektródák legkülső részén, az anódon keresztül. Az anódáram szinte teljesen eltűnik 30 mT felett. Ez várható volt. Az elektronok keskeny körutakon repülnek, amelyek a képernyőre vagy a fékrácsra vezetik őket.
Egy kis elmélet a végén
Az a hajlítási szög, amellyel az elektron útja eltér a katód és a cső anódja közötti sugárirányú mozgástól (ehhez ki kell számolni az elektronra ható Lorentz-erőt):
m e = 9,109 10 -31 kg az elektronok tömege, e = 1,602 10 -19 C az elemi töltés, r a katódtól való távolság (m), U (r) - a potenciál azon a ponton (voltban), és B. a mágneses térerősség (Teslában). A körutat akkor érjük el, amikor az α 90 °. A szinusz ekkor megegyezik 1. A pálya sugárára R. k most megadhatjuk a következő képletet, ahol az említett természetes állandók a numerikus prefaktorban vannak:
Az EF 184 segítségével 120 V feszültséget adtunk az anódra és a két külső rácsra. Megfigyeltük a fékrácsáram maximális áramát a B. = 22 mT. Ez azt jelenti, hogy a körút sugárának itt meg kell egyeznie a fékrács (lap) sugárával. A képlet 3,4 mm sugarat eredményez, ami meglehetősen reálisnak tűnik az ilyen típusú csöveknél.