Методические указания к учебно-исследовательской работе с использованием ЭВМ (уирс) для студентов 2 курса физического факультета Иваново (стр. 1 из 4)
Министерство образования Российской Федерации
Ивановский государственный университет
Кафедра общей физики и методики преподавания
МАГНЕТРОН
Методические указания к учебно-исследовательской работе с использованием ЭВМ (УИРС)
для студентов 2 курса физического факультета
Иваново
Издательство “Ивановский государственный университет”
2004
Составитель:
кандидат физико-математических наук А.П. Блинов.
Методические указания содержат постановку и анализ задач о движении электрона в скрещенных электрическом и магнитном полях на примере магнетрона, а также о вольт-амперной характеристике магнетрона.Приведены алгоритмы численного решения этих задач с использованием средств компьютерной техники.
Для студентов 2 курса физического факультета.
Печатается по решению методической комиссии физического факультета Ивановского государственного университета
Рецензент:
кандидат физико-математических наук Л.И. Минеев (ИвГУ)
Составитель:
БЛИНОВ Анатолий Павлович
МАГНЕТРОН
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ СТУДЕНТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭВМ (УИРС)
для студентов 2 курса физического факультета
Редактор В.А.Киселева
Лицензия ЛР № 020295 от 22.11.96. Подписано в печать .
Формат 60 х 84 1/16
Бумага писчая. Печать Плоская. Усл.печ.л. 1,15 .
Уч .-изд. л. 1,0 . Тираж 25 экз.
Ивановский государственный университет
Печатно-множительный участок ИвГУ
153025, Иваново, ул.Ермака, 39
ã Издательство “Ивановский государственный университет”, 2004
Введение
Настоящие методические указания предназначены для студентов 2 курса физического факультета ИвГУ, изучающих раздел «Электричество и магнетизм» курса общей физики.
Новый государственный стандарт физического образования предполагает глубокое усвоение основных физических понятий и законов. Этому способствует активное применение полученных знаний в процессе решения физических задач. Указанные задачи, несомненно, способствуют закреплению изученного материала, формируют умения и навыки его практического применения.
Отметим, что самостоятельное решение указанных задач делает данную работу наиболее эффективной.
Вместе с тем целесообразно в учебный процесс вводить задачи, носящие научно-исследовательский характер (УИРС). Указанные задачи способствуют формированию умений и навыков, необходимых будущему физику-исследователю. Эти задачи более сложные и, как правило, носят комплексный характер. Такие задачи целесообразно предъявлять студентам для самостоятельной работы с возможностью консультаций с преподавателем в процессе их решения.
Решенные задачи могут обсуждаться на семинарских и лабораторных занятиях. Это способствует формированию у студентов умений и навыков выступать с краткими докладами, по форме приближенными к докладам на научных конференциях.
Одним из возможных направлений указанной деятельности является постановка и решение задач по электричеству и магнетизму. В настоящих методических указаниях в рамках лабораторного практикума рассматриваются задачи о движении электрона в скрещенных электрическом и магнитном полях на примере магнетрона, т.е. вакуумного диода, помещенного в однородное магнитное поле соленоида (см. лабораторную работу № 12 “Определение удельного заряда электрона”). При этом электроды магнетрона могут иметь различную геометрическую форму (цилиндрическую или плоскую), а также выделяются режимы работы магнетрона в области насыщения анодного тока диода и вдали от этой области, когда выполняется “закон трех вторых”.
Наконец, в методических указаниях приводятся алгоритмы численного решения задач по нахождению траектории движения электрона в магнетроне и по нахождению вольт-амперной характеристики (ВАХ) магнетрона с использованием средств компьютерной техники.
При движении электрона в электрических и магнитных полях его траектория определяется конфигурацией этих полей и удельным зарядом
электрона, т.е отношением его заряда e к массе m. Для определения удельного заряда электрона можно использовать магнетрон (см. лабораторную работу № 12)Магнетрон представляет собой вакуумный диод, помещенный в соленоид. Электродами цилиндрического магнетрона являются коаксиальные (т.е. с единой для них осью) металлические полые цилиндры (накаливаемый катод и холодный анод с радиусами
и 
, 
Магнитное поле соленоида с индукцией 
направлено параллельно оси цилиндров.Вследствие явления термоэлектронной эмиссии [1] разогретый катод испускает электроны, которые ускоряются электрическим полем с напряженностью
между электродами диода.Анодный ток
магнетрона зависит от анодного напряжения 
(разности потенциалов анода и катода), индукции B магнитного поля, а также температуры T катода. Вольт-амперная характеристика (ВАХ), т.е. зависимость 
для B = 0 и T = const изображена графически на Рис. 1. 
Рис. 1
При достаточно больших значениях
анодный ток 
практически не меняется и равен 
(ток насыщения). При малых напряжениях (вдали от области насыщения) выполняется “закон трёх вторых”, т.е. 
[1].Рассмотрим режим работы магнетрона:
1) в области насыщения;
2) вдали от области насыщения (выполняется “закон трех вторых”).
Режим в области насыщения
В этом случае в пространстве между электродами отсутствуют
объемные заряды (нет электронного облака, возникающего вблизи катода), и электроны движутся от катода к аноду в вакууме под действием внешних электрического и магнитного полей.
Электрическое поле между цилиндрическими электродами имеет вид [1]
(1)где
- радиус-вектор, отсчитываемый от оси Z цилиндров и ей перпендикулярный.При наличии однородного магнитного поля
, направленного вдоль оси диода (магнетрона), электроны со скоростью 
подвергаются действию силы Лоренца [1]
(2)