Інфрачервоні трубки в магнітному полі

Трубки в магнітному полі:
Електрони по круговій доріжці

Остання зміна: 31 жовтня 2020 р

Якщо направити електронний пучок через магнітне поле у вакуумі, він буде відхилений від прямого напрямку. Правило правої руки (хто пам’ятає клас фізики?) Говорить: У магнітному полі B рухливий електричний заряд e відчуває силу Лоренца

F L = e B. х v,

який діє перпендикулярно своєму напрямку руху v. Це показано на другому зображенні праворуч. Ви повинні мати можливість керувати ними по круговій стежці, так? Тоді радіус орбіти r достатньо великий, щоб відцентрова сила, спрямована назовні, компенсувала силу Лоренца, що спрямована всередину:

me - маса електрона, е р - радіально орієнтований одиничний вектор. Якщо електрони летять по колу, а не по прямій лінії до анода, то це повинно бути помітно в анодному струмі, тому моє перше розгляд. Принаймні, якщо магнітне поле досить сильне. Тож я взяв пентод типу EL84 і поклав його в основу експерименту. Потім я підключив це до свого лабораторного джерела живлення: нагрівач увімкнено, катод мінус, анод і сітка екрану плюс, потім негативна напруга -10 вольт до контрольної мережі. При напрузі в Андах на 200 вольт я зміг виміряти анодний струм близько 20 мА. Поки що це нормально. Тепер магнітне поле, яке повинно відхиляти електрони: якщо я утримую на скляній колбі трубки сильний магніт, неодимовий залізо-борний супермагніт, то чи не повинен зменшитися струм? Але нічого не відбувається! Стрілка міліметра не рухається на міліметр. Зрештою це не так просто.

Чи так виглядатиме шлях електронів (синіх) у трубці, якщо існує магнітне поле, перпендикулярне площині зображення? На кресленні показана будова радіопентоди і "план польоту" електронів в магнітному полі. Вони набирають швидкість у радіальному напрямку в електричному полі між катодом та сіткою екрану, але через магнітну силу Лоренца вони опиняються на круговій траєкторії, яка веде між сіткою екрану та анодом навколо центру катода. Ми хочемо це продемонструвати.

Правило правої руки: великий палець показує напрямок руху, вказівний - магнітне поле, а середній - відхиляючу силу до центру кола, що описує електронний шлях. Але будьте обережні: електрони заряджені негативно. Це точно змінює напрямок сили !

Тут EF 184 в експериментальній установці. Справа знаходиться магнітна котушка, яка повинна генерувати магнітне поле.

Мені довелося замінити спочатку використаний EL84 на EF 89, EF 183 або EF 184. У EL84 гальмівна решітка внутрішньо з'єднана з катодом. У випадку з EF 89 та іншими пентодами, з іншого боку, гальмівна решітка виводиться назовні за допомогою власного з'єднання. Я зафіксував з'єднання сітки екрану, гальмівної решітки та анода до +120 вольт від блоку живлення, використовуючи міліамперметр (або невеликий резистор кожен, на якому вимірюю падіння напруги за допомогою осцилографа).

Покращена експериментальна установка. Спочатку я поклав соленоїд над трубкою, поле якого паралельне осі трубної системи. Сітка екрану, гальмівна решітка та анод також мають однаковий потенціал. Отже, між сіткою екрану та анодом немає електричного поля. Тут на електрони не діє електростатична сила, а лише магнітна сила Лоренца.

Ідея тут полягає в тому, що електрони в просторі між сіткою екрану та анодом спрямовані на круговий шлях за допомогою магнітного поля, як на цирковій арені. Тут вони можуть зробити багато патронів і затриматись надовго, перш ніж їх поглине найближча сітка або анод. Це залежить від радіуса вашої траєкторії, на який може впливати сила магнітного поля. Якщо радіус його орбіти відповідає радіусу електрода, то струм, що протікає через цей електрод, повинен зростати.

Але звідки мені дізнатися, наскільки сильним є магнітне поле моєї котушки, коли я посилаю через неї певний струм, скажімо, 1 ампер? Зовсім просто, я обчислюю це за допомогою L-Culator! За розмірами обмотки та кількістю витків я можу використовувати цей інструмент для визначення напруженості поля в центрі котушки. Використовувана тут котушка циліндра має 530 витків із емальованого мідного дроту товщиною 0,6 мм. Котушка має внутрішній діаметр 2,5 см, зовнішній діаметр 5 см і довжину 2,7 см. З цієї інформації L-Culator обчислює напруженість поля 15 мТл при струмі котушки 1 А. Котушка може навіть витримати 4 А протягом короткого часу, що в результаті дає максимум 60 мТл. Цього більш ніж достатньо для цього експерименту. Електроенергія для цього надходить від регульованого лабораторного джерела живлення, яке може доставити достатньо ампер. При 4 амперах котушка споживає близько 75 Вт енергії, зазначає L-Culator.

Котушка сидить на трубці. Я просто зігнув відповідний кронштейн з алюмінієвого листа, щоб розташувати центр котушки над системою труб. Тепер експеримент можна розпочати.

Експериментальна установка. Я також підключив осцилограф, якого не видно на картинці.

Ліворуч на малюнку загальний огляд експериментальної установки: Ззаду ліворуч джерело живлення для анода та напруги мережі, цей тут. Праворуч від цього знаходиться лабораторне джерело живлення для магніту із вбудованим амперметром. Але корисно підключити більш точний амперметр до лінії котушки. Попереду кілька приладів, які вимірюють струм через відповідну сітку g2, g3 або анод. Котушка з трубкою внизу в центрі малюнка. Через розсіювання потужності я подарував їй невеликий вентилятор, який забезпечує деяке охолодження під час вимірювання.

Якщо тепер ви повільно піднімаєте струм котушки по частинах, ви можете зчитувати струми на міліамперметрі як функцію струму котушки, а отже, і магнітного поля. На початку я вводив усе від руки в таблицю. Це трохи клопоту. Звичайно, це більш практично, якщо ви все це робите за допомогою цифрового осцилографа (саме так я зробив це врешті-решт). "Рампа" ведеться з магнітним полем, і струм збудження реєструється на осі х, а струм через відповідний електрод на осі у. Але результат однаковий.

Тепер про результати:

Малюнок праворуч показує струм Я2 через сітку екрана EF 184 як функцію магнітного поля B., дано в мілітесла. Вибачте за дещо "криві" числові значення на осі х, але я обчислив коефіцієнт пропорційності між магнітним полем і струмом котушки (лише той, який вимірюється генератором) згодом.

Без магнітного поля тут протікає струм 0,3 мА, який спочатку не залежить від магнітного поля. Струм сітки екрану підвищується приблизно з 16-17 мТл і досягає максимуму при 40 мТл.

Що відбувається ? Ну, нижче 16 мТл поле занадто слабке, щоб взагалі відхиляти електрони від їх шляху до решіткової мережі або до анода. Але потім, із ще сильнішим полем, все більше і більше електронів спрямовується назад до сітки екрану. Струм піднімається. При полях вище 40 мТл відхилення стає настільки сильним, що електрони від катода вже не можуть дійти навіть до сітки екрану.

Погляньмо тепер на гальмівну решітку EF 184. Перш за все, помітно, що струм сітки сповільнювача набагато менший за струм сітки екрану, хоча обидві сітки мають однаковий потенціал. Це пов’язано з тим, що ретардаційна сітка має набагато ширші сітки (насправді, на EF 184 це просто листовий метал із широкими отворами), і що електрони не знаходять дротяні сітки так легко.

Однак тут можна спостерігати різкий максимум струму в мережі близько 22 мТл. При такій напруженості поля електрони, очевидно, перебувають по круговому шляху навколо центрального катода трубки, а радіус кругового шляху відповідає радіусу сітки, що уповільнює. Тоді ймовірність удару про гальмівну решітку є особливо великою. Якщо напруженість поля змінюється, круговий шлях стає вужчим або ширшим, у будь-якому випадку він веде повз гальмівну решітку. Поточний Яg3 в будь-якому випадку різко зменшується.

Струм гальмівної решітки остаточно зникає вище приблизно 50 мТл. Жоден електрон зараз не заходить так далеко.

Справа на малюнку результат того самого експерименту з EF 89. Це "звичайний" пентод із гальмівною сіткою, яка накручена навколо. На відміну від цього, EF 184 як так звана "тетрода пучка пучків" має лише дві вузькі листові металеві смуги перед анодом як ретардаційну сітку, до якої електрони рідко наближаються. З EF 89 спостерігається набагато більш виражений максимум струму гальмівної решітки. При напруженості поля близько 25-28 мТл Яg3 зросла більш ніж утричі порівняно з EF 184.

Нарешті, струм через зовнішній з трубних електродів, анод. Анодний струм майже повністю зникає вище 30 мТл. Це можна було очікувати. Електрони літають по вузьких кругових шляхах, які ведуть їх до екрану або гальмівної сітки.

Наприкінці трохи теорії

Кут відхилення α, на який шлях електрона відхиляється від радіального напрямку руху між катодом і анодом трубки, становить (для цього потрібно розрахувати силу Лоренца, яка діє на електрон):

м e = 9,109 10 -31 кг - маса електронів, e = 1,602 10 -19 С - елементарний заряд, р відстань від катода (в м), U (r) потенціал у цій точці (у вольтах), і B. напруженість магнітного поля (в Теслах). Круговий шлях досягається, коли α дорівнює 90 °. Тоді синус дорівнює 1. Для радіуса орбіти Р. k тепер можна сформулювати таку формулу, згідно з якою згадані природні константи знаходяться в числовому префакторі:

За допомогою EF 184 ми подали напругу 120 В на анод і дві зовнішні сітки. Ми спостерігали максимум струму гальмівної решітки при B. = 22 мТл. Це означає, що радіус кругового шляху тут повинен бути однаковим з радіусом гальмівної решітки (листового металу). В результаті формули виходить радіус 3,4 мм, що здається цілком реалістичним для цього типу труб.