Дорошев Василий Петрович
Исследование тока электронов, вызванного ускорением

Самиздат: [Регистрация] [Найти] [Рейтинги] [Обсуждения] [Новинки] [Обзоры] [Помощь|Техвопросы]
Ссылки:
Школа кожевенного мастерства: сумки, ремни своими руками Типография Новый формат: Издать свою книгу
 Ваша оценка:

Дорошев В.П.

Исследование тока электронов, вызванного ускорением

    Толмен и Стюарт установили [R.C.Tolman, T.D.Stewart. Phys.Rev., 8 (1916) 97.], что электроны проводника, при его ускорении,  создают электрический  ток.  Для измерения  тока  в  заторможенной   катушке медного провода учёными использовался  баллистический гальванометр, регистрирующий только протекающий через него электрический   заряд.  Длительность,  амплитуда и форма тока, вызванного ускорением проводника, не были исследованы  в связи с отсутствием в начале 20-го века   подходящих для этого регистрирующих приборов.
     Для восполнения обнаруженного  пробела рассмотрим  связь  ускорения проводника с  параметрами тока Толмена-Стюарта  и проверим их в современном опыте.
     Запишем закон сохранения энергии для  ускоряемой электрической цепи

ΔWk = ΔWt (1),

где, Wk - кинетическая энергия разгоняемых электронов;
Wt - тепловая энергия, выделяемая по закону Джоуля-Ленца  при рассеянии электронов в цепи.

Wk = NmV2/2 =nSLm V2/2;

где, N = nSL- число ускоряемых электронов;
n - концентрация электронов в металле;
S - сечение провода цепи;
L - длина цепи;
m - масса электрона;
V - линейная скорость цепи перед торможением.

ΔWk = nSLmVΔV (2),

где, ΔV - приращение скорости при полном торможении цепи    ΔV = V - 0 =  V.

ΔWt = i2 RΔt = iRiΔt =ρSRΔq =enVSRΔq = enVSR UΔt/R = enVSUΔt (3),

где, i - ток в цепи;
 R - сопротивление цепи;
Δt - длительность импульса тока;
ρ = enV - плотность тока;
e - заряд электрона;
Δq = UΔt/R - протекший в витке заряд;
U - напряжение на измерительном приборе.
     Подставив (2) и (3) в (1) и, считая ΔV = V, получим

e/m = LV/UΔt(4),


   и если напряжение Uм накапливается на конденсаторе C, то  

e/m = LV/UмRC(4а) 

Таким образом, получена связь механических параметров с напряжением, вызванным изучаемым током, его длительностью, т. е. не только с протекающий зарядом, как в опыте Толмена-Стюарта.
      В качестве ускоряемой цепи предлагается использовать колебательный контур, индуктивность которого выполнена в виде вращающегося  проводящего кольца, в разрез которого включён  конденсатор контура C и измеритель тока (Рис. 1а)  
    Измерителем изучаемого тока является широкополосный осциллограф.

Рис.1. Измерительный колебательный контур

    Кольцо закреплено на изолированной спице, один конец которой надет на   ось вращения, расположенной  в  геометрическом центре кольца.
   По выступающей части спицы, касающейся массивного упора,   наносятся удары бойком.
    Под действием волны деформации спица поворачивает  кольцо  (Рис.1 б).  После отражения от оси волна деформации меняет своё направление на противоположное и реверсирует поворот кольца, создавая ускорение a (рывок).
   Перепишем (4) таким образом:

β  = e/m = LV/UΔt = La/U (5),

где, β = 1,76 1011 Кл/кг - удельный заряд электрона;  a - ускорение  кольца; V - скорость бойка; U - максимальное напряжение на конденсаторе контура C; Δt - длительность импульса тока Толмена- Стюарта.
 Имеем

a = βU/L (6),

Δt = LV/β U (7).

  Опытная установка, макет которой показан на фото 1   содержит разрезанное медное кольцо диаметром D = 0,16 м, длиной L = 0,5 м и сечением  S = 28 мм2.

[]Фото 1.

  Скорость удара измерялась с помощью видеокамеры и варьировалась в пределах V = 1...20 м/с. Ёмкость контура  C ≈ 10-10 Ф определяется суммой ёмкостей конденсатора 82 пФ и входной ёмкостью осциллографа.
   Максимальное напряжение на конденсаторе C, регистрировалось    осциллографом и составило  U ≈ 3*10-3 В.  (Рис.2)

[] Рис.2. Осциллограмма 1

Получено:
   - ускорение электронов  
  a = β U/L = 1,76*1011 3*10-3/0,5 = 1,06 109 м/с2 (не такая большая величина в мире элементарных частиц);
    - длительность импульса тока
 Δt = V/a =  (1 ... 20)/ 1,06 *109 ≈ 1...20 нс.
(Рис.2  V ≈ 10 м/с, Δt ≈ 10 нс; f = 29*106 Гц - резонансная частота контура; Q = 6 - добротность контура; R = 10 Ом - сопротивление потерь контура) ,
    -максимальное расчётное значение напряжения 
Uм = 2πfQLVm/e = LVm/eRC ≈ 35 мВ , (; m/e = 5,7*10-12 кг/Кл), которое больше измеренного в 10 раз из-за узкой полосы пропускания канала усиления имеющегося осциллографа.

   Вывод.
   1.Все ускоряемые проводники представляют собой колебательные контура, сформированные из   собственных реактивных элементов (плюс реактивность  регистрирующего прибора).
   Часть поступившей энергии удара производит инерционное разделение зарядов и проводник  становится источником   импульсного ( высокочастотного) тока.  При этом  контур  преобразует этот импульс тока в электрические  колебания и за счёт скин-эффекта  существенно увеличивает сопротивление проводника по сравнению с сопротивлением постоянному току.
 Возникает повышенное сопротивление потерь [b]R[/b], которое, делает   возможным регистрацию инерционного тока не очень чувствительным прибором - осциллографом.  
      2. Опытная установка Фото1 может быть использована в учебных целях, как основа для лабораторной работы по измерению удельного заряда электрона.

 Ваша оценка:
Связаться с программистом сайта.

Новые книги авторов СИ, вышедшие из печати:
О.Болдырева "Крадуш. Чужие души" М.Николаев "Вторжение на Землю"

Как попасть в этoт список

Кожевенное мастерство | Сайт "Художники" | Доска об'явлений "Книги"