Направление электрического и магнитного полей в магнетроне. Удельный заряд электрона и принцип работы магнетрона

Как определить удельный заряд электрона методом магнетрона. Какие физические явления лежат в основе работы магнетрона. Почему магнетрон используется в микроволновых печах. Как происходит нагрев продуктов в микроволновой печи.

Что такое удельный заряд электрона и почему он важен

Удельный заряд электрона — это отношение заряда электрона к его массе (e/m). Это фундаментальная физическая величина, характеризующая свойства электрона. Знание удельного заряда электрона важно для понимания его поведения в электрических и магнитных полях.

Удельный заряд электрона был впервые измерен Джозефом Томсоном в 1897 году, что привело к открытию электрона как элементарной частицы. Сегодня точное значение удельного заряда электрона составляет 1,758820 × 10^11 Кл/кг.

Принцип работы магнетрона

Магнетрон — это электровакуумный прибор, генерирующий микроволновое излучение. Его основные компоненты:

• Катод — источник электронов
• Анод — цилиндр с резонаторными полостями
• Постоянный магнит, создающий магнитное поле

Принцип работы магнетрона основан на взаимодействии электронов с перекрещенными электрическим и магнитным полями. Электроны, испускаемые катодом, под действием этих полей движутся по сложным криволинейным траекториям к аноду. При этом они возбуждают колебания в резонаторных полостях анода, что приводит к генерации микроволнового излучения.

Метод магнетрона для определения удельного заряда электрона

Метод магнетрона позволяет определить удельный заряд электрона, анализируя движение электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях. Основные этапы метода:

1. Создание электрического поля между катодом и анодом
2. Наложение перпендикулярного магнитного поля
3. Измерение критического значения магнитного поля, при котором электроны перестают достигать анода
4. Расчет удельного заряда по формуле, связывающей критическое магнитное поле с геометрией устройства и приложенным напряжением

Этот метод позволяет достаточно точно определить удельный заряд электрона в лабораторных условиях.

Применение магнетрона в микроволновых печах

Магнетрон является ключевым компонентом микроволновых печей, обеспечивающим генерацию микроволнового излучения для нагрева продуктов. Основные преимущества использования магнетрона в микроволновках:

• Высокий КПД преобразования электрической энергии в микроволновое излучение (до 70%)
• Компактные размеры
• Относительно низкая стоимость
• Возможность генерации излучения требуемой частоты (обычно 2.45 ГГц)

Благодаря этим свойствам магнетрон остается оптимальным выбором для бытовых микроволновых печей уже более 50 лет.

Физика нагрева продуктов в микроволновой печи

Нагрев продуктов в микроволновой печи основан на явлении диэлектрического нагрева. Основные этапы этого процесса:

1. Микроволны проникают в продукт
2. Молекулы воды и других полярных веществ в продукте начинают колебаться под действием переменного электромагнитного поля
3. Колебания молекул приводят к трению между ними и выделению тепла
4. Тепло распространяется по всему объему продукта

Этот механизм обеспечивает быстрый и относительно равномерный нагрев продуктов по всему объему, что является главным преимуществом микроволновых печей.

Ограничения и особенности микроволнового нагрева

Несмотря на эффективность, микроволновый нагрев имеет ряд ограничений и особенностей:

• Неравномерность нагрева из-за образования стоячих волн в камере печи
• Слабый нагрев продуктов с низким содержанием воды
• Невозможность получения румяной корочки на продуктах
• Риск локального перегрева и «взрыва» некоторых продуктов (яйца, сосиски)
• Необходимость использования специальной посуды

Понимание этих особенностей позволяет эффективно и безопасно использовать микроволновые печи в быту.

Современные тенденции в развитии магнетронов и микроволновых печей

Несмотря на зрелость технологии, разработка магнетронов и микроволновых печей продолжается. Основные направления развития:

• Повышение энергоэффективности магнетронов
• Разработка магнетронов с электронным управлением частотой и мощностью
• Создание «умных» микроволновых печей с датчиками и адаптивными алгоритмами нагрева
• Комбинирование микроволнового нагрева с другими методами (конвекция, гриль)
• Миниатюризация магнетронов для применения в портативных устройствах

Эти инновации направлены на расширение возможностей и повышение удобства использования микроволновых технологий в быту и промышленности.

Лабораторная работа № 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА () ЭЛЕКТРОНА

Методом магнетрона

Цель работы: изучить законы движения заряженных частиц в электрическом и магнитном полях; рассчитать величину удельного заряда электрона по критическому току в магнетроне.

Основные понятия

Большинство способов измерения заряда частиц основано на зависимости траектории движения частицы в электрическом и магнитном полях от величины удельного заряда частицы (масса, азаряд частицы). Действительно, уравнение движения частицы в электрическом и магнитном полях имеет вид:

x

, (1.1)

где вектор напряжённости электрического поля,вектор индукции магнитного поля. Первое слагаемое в правой части уравнения (1.1) представляет собой силу, действующую на заряд в электрическом поле, а второесилу, действующую на движущийся со скоростьюзаряд в магнитном поле (силу Лоренца).

Эта сила, как видно из соотношения (1.1), перпендикулярна той плоскости, в которой лежат вектораи(рис. 1.1).

Направление силы Лоренца

Практически направление силы Лоренца определяют так: сначала по правилу «правого винта» определяют направление вектора векторного произведения, а затем учитывают знак заряда движущейся частицы.

Как видно из уравнения (1.1), для измерения удельного заряда недостаточно знать величины полей, потому что обычно неизвестна начальная скорость частицы.

В настоящей работе удельный заряд электрона определяется с помощью метода, получившего название методaмагнетрона. Это название связано с тем, что применяемая в работе конфигурация электрического и магнитного полей напоминает конфигурацию полей в магнетронахгенераторах электромагнитных колебаний в области сверхвысоких частот.

В нашем случае магнетрон представляет собой двухэлектродную электронную лампу (рис. 1.2). Анодом лампы служит цилиндр А, по оси которого натянута нить накала катод К. Лампа помещается внутрь соленоида С.

При нагревании катода с его поверхности испускаются электроны (термоэлектронная эмиссия). Электрическое поле возникает между катодом и анодом, если к ним приложить разность потенциалов U, подавая на катод отрицательный, а на анод положительный потенциалы. Электрическое поле в такой системе направлено вдоль радиуса анода.При пропускании тока по соленоиду внутри него создается однородное магнитное поле, параллельное катоду. Тогда на электроны, вылетевшие из катода, действуют одновременно электрическое и магнитное поля.

С

Рис.1.2.Магнетрон

огласно уравнению (1.1), в радиальном направлении на электрон действует только сила со стороны электрического поля. Работа этой силы, совершаемая при перемещении электрона от катода к аноду, равна кинетической энергии электрона (начальной скоростью электрона мы пренебрегаем).

, (1.2)

где v — скорость электрона у поверхности анода, U- разность потенциалов между катодом и анодом, e- заряд электрона, m- масса электрона.

В направлении, перпендикулярном к радиальному направлению, на электрон действует только сила Лоренца. Эта сила работы не совершает и лишь изменяет направление скорости. Величина скорости и кинетическая энергия заряда при его движении в магнитном поле не изменяются. Под действием силы Лоренца электрон равномерно движется по окружности радиуса , который может быть определён из уравнения движения электрона (1.1):

. (1.3)

Определяя отсюда радиус орбиты электрона r и, учитывая соотношение (1.2), получим :

. (1.4)

Из равенства (1.4) видно, что при заданном напряжении U увеличение индукции магнитного поля ведет к уменьшению радиуса траектории электронов. Несколько траекторий, соответствующих различным значениям индукции, схематично представлены на рис. 1.3.

В отсутствии магнитного поля траектория движения электрона прямолинейна и направлена вдоль радиуса магнетрона (рис. 1.3,а).

Рис. 1.3.Траетории движения электронов и «сбросовая» характеристика магнетрона

При слабом поле (рис. 1.3,б) траектория электрона несколько искривляется, но электрон все же попадает на анод. При некотором критическом значении индукции магнитного поля (рис. 1.3,в) радиус траектории электрона становится равным (r_а-r_к)/2, так что он только касается анода (здесь r_а радиус анода, а r_к­ радиус катода ). Наконец, при (рис. 1.3,г) электрон вовсе не попадает на анод и возвращается к катоду; анодный ток становится равным нулю.

На рис. 1.3 показана «сбросовая» характеристика лампы: вследствие того, что испускаемые катодом электроны имеют разные начальные скорости, критические условия достигаются для разных электронов при разных значениях В, поэтому «сбросовая» характеристика имеет вид непрерывной кривой.

Работа 3 определение удельного заряда электрона методом магнетрона

Цель: ознакомиться с одним из методов определения удельного заряда частицы и определить удельный заряд электрона.

Оборудование: регулируемый источник постоянного тока, стабилизирован-ный источник постоянного тока, миниблок «Магнетрон», мультиметры.

Контрольные вопросы

1. Запишите формулу для силы, действующей на заряженную частицу в электромагнитном поле. Какими компенентами она определяется?

2. В чем состоит существенное отличие магнитного поля от электричес-кого?

3. Как определяется направление силы Лоренца, действующей на заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле?

4. От чего зависит форма траектории электрона в магнетроне? Покажите форму траектории электрона при различных значениях магнитной индукции.

5. Укажите способ определения критического значения тока в лабораторной работе.

Описание установки

Сила, действующая со стороны электромагнитного поля на движущуюся заряженную частицу, была впервые получена Г.А.Лоренцем и имеет вид .

Уравнение движения частицы в пространстве, где имеются и электрическое и магнитное поле, согласно второму закону Ньютона будет иметь вид.

Это уравнение показывает, что харак-тер движения заряженной частицы в силовых полях определяется отношением , которое называют удельным зарядом частицы.

Удельный заряд электрона можно определить различными способами. Одним из наиболее распространенных из них является метод магнетрона.

Электрическая схема установки приведена на рисунке.

В измерительном блоке установки используется электронная лампа диод, с катодом и анодом цилиндрической формы. Электрическое поле направлено вдоль радиальных прямых от анода к катоду лампы, которая поме-щается внутри электромагнита, создающего однородное магнитное поле направленное парал-лельно оси лампы. В магнтном поле на движущиеся электроны будет действовать сила Лоренца, которая заставляет электроны двигаться по окружности, радиус которой зависит от индукции магнитного поля. При увеличении индукции магнитного поля радиус окружности уменьшается и при некотором критическом значении индук-ции магнитного поля траек-тория электрона искривляется настолько, что он только касается анода и при этом анодный ток резко падает. Так как индукция магнитного поля, создаваемого электро-магнитом пропорциональна намагничи-вающему току, то можно утверждать, что анодный ток лампызависит от тока электромагнита, т.е.. Проведем качественный анализ этой зависимости. При значениях индукции магнитного поля меньших критического траектории электронов искривляются, но они все же попадают на анод и создают ток. При критическом значении индукции магнитного поля траектория электронов лишь касается анода и ток в лампе резко падает. Таким образом зависимость анодного тока от тока электромагнита будет иметь вид приведенный на рисунке.

Определяя на опыте критическое значение силы тока можно определить удельный заряд электрона.

Выполнение работы

1. Собрать электрическую цепь по схеме рис.

2. Включить питание генераторов напряжений и блока мультиметров.

3. Кнопками установки напряжения (0…15 В) установите ток 100 мА в обмотке электромагнита и запишите значение анодного тока.

4. Проведите аналогичные измерения увеличивая ток электромагнита на 5 мА до 160 мА.

5. Проведите аналогичные измерения при уменьшении тока электромаг-нита от 200 до 100 мА.

6. Выключите питание.

7. Результаты измерений занести в таблицу.

Таблица

Параметры магнетрона: ,, , ,.
№ п/п	мА	Увелич.	Уменьш.	,мА	, мА	, мА
		,мА	,мА
1.	100
2.	105
3.	110
4.	115
5.	120
6.	125
7.	130
8.	135
9.	140
10.	145
11.	150
12.	155
13.	160

Физика микроволновых печей

Физика микроволновых печей

« Вернуться на tobyzerner.com

Микроволновые печи являются неотъемлемой частью современной кухни благодаря их способности быстро и легко разогревать еду и напитки. На этой странице объясняется, как они работают, и исследуются некоторые физические концепции, связанные с их работой.

Содержание

• Производство микроволн в магнетроне
• Разогрев пищи с помощью микроволн
• Ограничения и последствия использования микроволнового нагрева
• Ссылки

Производство микроволн в магнетроне

Рисунок 1: Электроны, испускаемые катодом, совершают криволинейное движение к аноду (Nave 2005).

Для разогрева пищи в микроволновой печи микроволны должны проходить через нее. Микроволны — это электромагнитные волны с частотой около 2,45 ГГц и длиной волны около 12,2 см; в электромагнитном спектре они опережают инфракрасный свет, но после радиоволн (Heckert 2007). В микроволновой печи микроволны производятся устройством, называемым магнетроном. Это устройство имеет форму полой трубки с цилиндрическим катодом, проходящим через центр и внешнюю часть трубки с несколькими полостями, выступающими в качестве анода (Gallawa 2008). Таким образом, в зазоре внутри трубки существует электрическое поле. Эта структура показана на рисунке 1. 9.0003

Постоянное магнитное поле существует перпендикулярно электрическому полю и параллельно длине трубки. Электроны в катоде выбрасываются в электрическое поле из-за термоэлектронной эмиссии (высокая температура в катоде вызывает возбуждение и высвобождение электронов) (Nave 2005). Они ускоряются по направлению к аноду снаружи трубки из-за силы, приложенной к ним электрическим полем. Однако на их пути магнитное поле также прикладывало к ним силу, искривляющую их движение. Итоговые пути, по которым могут двигаться некоторые электроны, показаны на рис. 1.9.0003

Рисунок 2: Электроны заставляют избыточный отрицательный заряд выталкиваться обратно в резонатор, создавая микроволновые колебания (Nave 2005).

Из-за криволинейного движения электроны выталкиваются в область, где в аноде имеется избыточный отрицательный заряд (одна сторона полости). Этот избыточный отрицательный заряд выталкивается обратно вокруг полости, создавая колебания электрического и магнитного поля из-за движущегося заряда (Nave 2005). Частота, на которой возникает этот резонанс, соответствует частоте микроволн; поскольку электрические и магнитные поля излучаются перпендикулярно друг другу и перпендикулярно направлению движения на этой частоте, микроволны эффективно излучаются. Этот процесс показан на рис. 2.9.0003

Нагревание пищи микроволнами

Рисунок 3: Движение микроволн внутри микроволновой печи (Riaz 2007).

Микроволны, создаваемые магнетроном, направляются на вращающийся пропеллер из металла. Одним из свойств микроволн является то, что они отражаются от металла, поэтому они отражаются от «вентилятора мешалки» и попадают в камеру духовки. Камера печи облицована металлом, так что микроволны продолжают отражаться в камере, пока не будут поглощены (Heckert 2007). На рис. 3 показано основное движение микроволн внутри микроволновой печи.

Микроволны поглощаются некоторыми химическими веществами, содержащимися в пищевых продуктах, в первую очередь водой. Это связано с тем, что молекулы воды полярны, а это означает, что распределение заряда внутри молекулы несимметрично; одна сторона молекулы слегка положительна, а другая слегка отрицательна. Таким образом, в присутствии составляющей электрического поля микроволны к обоим диполям молекулы будет приложена сила, которая заставит ее вращаться (Heckert 2007). На рисунке 4 показаны две молекулы воды в положениях, где сила на их диполях, обусловленная электрическим полем волны, минимальна.

Рисунок 4: Вращение молекул воды под действием составляющей электрического поля в электромагнитной волне. (Черные стрелки обозначают электрическое поле.)

Поскольку электрическое поле постоянно колеблется, молекулы воды постоянно вращаются. Частота микроволн (2,45 ГГц) является оптимальной, поскольку время, необходимое электрическому полю для колебаний, согласуется со временем, которое требуется молекуле воды, чтобы повернуться на 180° (Heckert 2007). Таким образом, молекулы воды вращаются максимально быстро.

При вращении молекулы воды сталкиваются с другими молекулами, окружающими их, и передают часть своей кинетической энергии. Согласно кинетической теории частиц, если частицы в пище имеют большую кинетическую энергию, то пища будет более горячей.

Посмотрите это в действии! (Интерактивный Java-апплет от PhET.)

Ограничения и последствия использования микроволнового нагрева

Конструктивные и деструктивные помехи

Конструктивные и деструктивные интерференции микроволн могут вызвать неравномерный нагрев пищи. В каждой точке камеры печи есть несколько микроволн, мешающих друг другу, а это означает, что результирующее электрическое поле в этой точке является суммой их соответствующих электрических полей. Если интерференция носит конструктивный характер, результирующее электрическое поле в этой точке будет больше, и, таким образом, частицы в пище получат больше кинетической энергии, и пища будет более горячей. Если интерференция является деструктивной, результирующего электрического поля может не быть, поэтому в этот момент пища останется холодной (Heckert 2007). Поскольку микроволны отражаются от металлических внутренних стенок камеры духовки, они могут какое-то время отражаться, прежде чем поглотятся, что увеличивает вероятность возникновения конструктивных и деструктивных помех (Heckert 2007).

Поскольку длина волны микроволн составляет около 12,2 см, расстояние между этими двумя крайними значениями обычно составляет всего несколько сантиметров, что может создавать проблемы при разогреве пищи (Heckert 2007). Вращающиеся поворотные столы включены в большинство микроволновых печей и перемещают пищу, пытаясь распространить эффект нагрева «горячих точек» на всю пищу; эффект конструктивного и деструктивного вмешательства не локализован в определенных точках пищи (Heckert 2007).

Вращение молекул

Принцип нагревания пищи в микроволновой печи основан на способности молекул вращаться. Это накладывает определенные ограничения на виды продуктов, которые можно разогревать. Например, лед — твердое тело, поэтому его молекулы не могут вращаться так легко, как в жидкой воде. Таким образом, лед не так эффективно нагревается микроволнами и должен нагреваться посредством обычной теплопроводности (Heckert 2007). В результате замороженные продукты нагреваются неравномерно и менее эффективно. Предметы, содержащие минимальное количество воды, также будут нагреваться дольше, поскольку будет меньше вращающихся молекул воды и, следовательно, меньше кинетической энергии будет передаваться пище. Хотя это может быть выгодно для таких вещей, как пластик и стекло (чтобы их можно было использовать в качестве контейнеров), микроволновый нагрев более сухих продуктов не так эффективен.

Воздействие на металлы

Распространено мнение, что нагревание любого металла в микроволновой печи может быть опасным («Сегодняшние микроволны могут работать с металлическими предметами», 2007 г.). Микроволны имеют тенденцию отражаться от металлов, что полезно для предотвращения выхода микроволн из камеры печи. Однако, если в качестве контейнера для разогреваемой пищи используется металл, микроволны будут отражаться, а не поглощаться пищей; еда остается холодной. Это может быть проблематично, поскольку, когда микроволны не поглощаются, они накапливаются и могут в конечном итоге отражаться обратно в магнетрон, что потенциально может повредить его (Chemistryquestion. com 2003). Однако современные магнетроны сконструированы так, чтобы обрабатывать большое количество микроволн, поэтому обычно это микроволновое отражение относительно безвредно («Сегодняшние микроволны могут обрабатывать металлические объекты», 2007).

Кроме того, поскольку микроволны состоят из электрического поля, мобилизованные электроны на поверхности металла движутся в соответствии с колебаниями электрического поля. В толстом металлическом предмете тепло, создаваемое этим трением, может рассеиваться, но тонкий предмет очень быстро нагревается (Chemistryquestion.com 2003). Металлические предметы с острыми концами (например, вилки) могут накапливать сильный электрический заряд на концах, вызывая ионизацию частиц воздуха и, таким образом, позволяя избыточному заряду перескакивать на ближайший проводник, вызывая искрение (Heckert 2007). Однако это явление также в основном безвредно для пищи и микроволновой печи («Сегодняшние микроволновые печи могут обрабатывать металлические предметы», 2007 г. ).

Ссылки

Галлава, Дж. 2008, Магнетронная трубка, используемая в микроволновых печах, просмотрено 31 августа 2010 г., .

Heckert, P 2007, How Do Microwave Ovens Work?, Suite101, просмотрено 31 августа 2010 г., .

Heckert, P 2007, Микроволновые печи нагревают пищу неравномерно, Suite101, просмотрено 31 августа 2010 г., .

Heckert, P 2007, Почему в микроволновых печах нет металла?, Suite101, просмотрено 7 августа 2010 г., .

Маккалоу, Дж., Принцип суперпозиции и интерференция, просмотрено 7 августа 2010 г., .

Nave, R 2005, The Magnetron, просмотрено 31 августа 2010 г. , .

Риаз, Р. 2007, Как производятся продукты: микроволновая печь, Advameg, просмотрено 7 августа 2010 г., .

Томлет, Дж. 2000, «Микроволновая печь; Анатомия Как это работает», Sydney Morning Herald, 02 марта, с. 38, просмотрено 7 августа 2010 г., eLibrary.

«Сегодняшние микроволновые печи могут работать с металлическими предметами», 2007 г., Wisconsin State Journal, 05 апреля, с. B1, просмотрено 7 августа 2010 г., eLibrary.

Почему нельзя нагревать металл в микроволновой печи? 2003, Chemistryquestion.com, просмотрено 7 августа 2010 г., .

Оценка дрейфовых скоростей электронов в магнетронных разрядах (журнальная статья)

Оценка дрейфовых скоростей электронов в магнетронных разрядах (журнальная статья) | ОСТИ.GOV

перейти к основному содержанию

• Полная запись
• Другое связанное исследование

Авторов:

Раух, Альберт; Андерс, Андре

Дата публикации:

31. 08.2012

Исследовательская организация:

Национальная лаборатория Лоуренса Беркли. (LBNL), Беркли, Калифорния (США)

Организация-спонсор:

Департамент науки Министерства сельского хозяйства США (SC)

Идентификатор ОСТИ:

1172974

Номер(а) отчета:

ЛБНЛ-5865Е

Номер контракта с Министерством энергетики:  

ДЭ-АС02-05Ч21231

Тип ресурса:

Журнальная статья

Название журнала:

Вакуум

Дополнительная информация журнала:

Объем журнала: 89; Связанная информация: Дата публикации в журнале: март 2013 г.

Страна публикации:

США

Язык:

Английский

Тема:

70 ФИЗИКА ПЛАЗМЫ И ТЕХНОЛОГИЯ СТЯЖКИ; Магнетрон, плазма, электрон, дрейф

---

Форматы цитирования

• MLA
• АПА
• Чикаго
• БибТекс

Раух, Альберт, и Андерс, Андре. Оценка дрейфовых скоростей электронов в магнетронных разрядах . США: Н. П., 2012. Веб.

Копировать в буфер обмена

Раух, Альберт и Андерс, Андре. Оценка дрейфовых скоростей электронов в магнетронных разрядах . Соединенные Штаты.