Заряд електрона. Метод магнетрона

Більшість методів вимірювання питомого заряду електрона заснована на властивостях руху частинки в електричному і магнітному полях. Задовільні, порівняно з іншими методами, результати дає дослідження критичних випадків дії електричного і магнітного полів, які реалізуються в магнетроні.

Суть цього методу полягає у тому, що двоелектродну електронну лампу, електроди якої є коаксіальними циліндрами, розміщують у середній частині соленоїда так, що вісь лампи співпадає з віссю соленоїда. При відсутності магнітного поля в соленоїді електрони під дією електричного поля, прикладеного між катодом і анодом, рухаються вздовж радіальних прямих. При наявності електричного струму в обмотці соленоїда в електронній лампі виникне магнітне поле, силові лінії якого направлені паралельно осі лампи, а на електрони почне діяти сила Лоренца:

(1)

де е — заряд електрона, рівний 1,6×10^-19 Кл;

— швидкість руху електрона;

— індукція магнітного поля.

При дії цієї сили, направленої в кожний момент часу перпендикулярно вектору швидкості, траєкторія електронів стає криволінійною.

Розглянемо дещо детальніше рух електронів в електронній лампі магнетрона. Для пояснення цього руху скористаємося циліндричною системою координат (рис. 6-5 1), в якій положення електрона визначається віддаллю його від осі лампи r, полярним кругом j і зміщення вздовж осі Z (напрямлена вздовж осі лампи).

Електричне поле, яке має лише радіальну компоненту, діє на електрон з силою, яка напрямлена по радіусу від катода до анода. Магнітна сила, яка діє на електрон з боку магнітного поля, не має складової вздовж осі Z. Тому електрон, який вилітає з катода без початкової швидкості (початкові швидкості електронів, які визначаються температурою катода, набагато менші швидкостей, набутих за рахунок електричного поля лампи), рухається в площині, перпендикулярній осі Z. Момент імпульсу Lz електрона відносно осі Z.

(2)

Рис. 6-5 1.

де — складова швидкості, перпендикулярна радіусу r.

Момент М сил, діючих на електрон, відносно осі Z визначається тільки складовою магнітної сили (сили Лоренца), перпендикулярної r. Електрична сила і складова магнітної сили, напрямлені вздовж радіуса r, моменту відносно осі Z не створюють. Тому

(3)

де — радіальна складова швидкості електрона.

Згідно з рівнянням динаміки обертального руху:

(4)

Проектуючи (4) на вісь Z, одержимо:

або

(5)

Інтегруючи вираз (5), одержимо:

Константу знайдемо із початкових умов: при r = r_K (г — радіус катода) V_j=0. Тоді

і

(6)

Кінетична енергія електрона дорівнює роботі сил електростатичного поля:

(7)

де U — різниця потенціалів між катодом і точкою поля, в якій знаходиться електрон.

Підставляючи в (7) значення V_j із (6), одержимо:

(8)

При деякому значенні індукдії магнітного поля Вкр, яке називають критичним, швидкість електрона поблизу анода стає перпендикулярною радіусу г, тобто Vr=0. Тоді рівняння (8) набуде вигляду:

де U_a — різниця потенціалів між анодом і катодом; r_а — радіус анода. З останнього виразу знаходимо питомий заряд електрона:

(9)

Індукція магнітного поля соленоїда, довжина L якого співрозмірна з діаметром D, знаходиться за формулою:

(10)

де m₀=4p×10^-7 Гн/м — магнітна стала; n — число витків соленоїда на одиницю довжини; N=nL — загальне число витків в соленоїді.

Таким чином, визначивши експериментальне Вкр, можна за формулою (9) розрахувати величину е/m. Для знаходження Вкр в лампі слід установити різницю потенціалів між анодом і катодом і, ввімкнувши струм в соленоїді, поступово збільшувати його, збільшуючи тим самим магнітне поле в лампі.

Якби всі електрони залишали катод з швидкістю, рівною нулю, то залежність величини анодного струму в лампі від величини індукції магнітного поля мала б вигляд, як це показано пунктирною лінією на рис. 6-5 2.

В цьому випадку при В<Вкр, всі електрони, які вилетіли з катода долетять до анода, а при В>Вкр жоден електрон не долетить до анода

В реальній лампі завжди є деяка некоаксіальність катода і анода, а також залишки газу. Крім того в соленоїді магнітне поле не е строго однорідним. Все це приводить до того, що різні електрони досягають критичних значень при різних значеннях магнітного поля В. Тому реальна залежність It^flfB) відрізняється від теоретичної (рис. 6-5 2).

Рис. 6-5 2