Concursul Memorial „SCHWARTZ 2009” Problemă propusă pentru „Premiul TRIODA” Liceul „ADY Endre” Oradea, România 7 noiembrie 2009

Moto: „Dacă rezultatele experimentale nu coincid cu cele cunoscute până atunci, fizicianul verifică aparatele puse la dispoziţie şi metoda de măsurare. Caută sursa de erori. Dacă nu gă-seşte, ori nu se pricepe, ori avem de a face cu un experiment al unui fizician care va fi laureat al premiului Nobel…

dr. BARTOS-ELEKES István

Determinarea sarcinii specifice a electronului prin metoda magnetronului

A. Dispozitivul experimental este compus din următoarele:

1. Diodă cu vid 3Ц18П (este un tub electronic). Vidul înaintat din interior permite deplasa-rea liberă, fără ciocniri a electronilor emişi de catod. Dioda are un catod care constă dintr-un tub subţire şi un anod cilindric, coaxial cu catodul. Catodul este încălzit de filamentul ce se găseşte în interiorul lui. La încălzire apare emisia electronică a catodului. Anodul aflându-se la un potenţial pozitiv faţă de catod, atrage aceşti electroni şi astfel apare un curent anodic Ia. Din punct de vedere al construcţiei, anodul este cilindrul argintiu, con-centric cu balonul tubului, iar catodul se găseşte în interiorul acestui cilindru.

2. Alimentatorul didactic furnizează o tensiune alternativă

de 24Veff şi 6Veff. Tensiunea de 24Veff, după redresare şi stabilizare alimentează bobina, iar cea de 6Veff serveşte la încălzirea filamentului diodei.

3. Bobina serveşte la realizarea unui câmp magnetic de

inducţie magnetică B. Ea se va aşeza pe inelul negru din ju-rul diodei, coaxial cu aceasta. Alimentarea bobinei se face de la circuitul electronic de stabilizare.

4. Circuitul electronic de stabilizare are două stări distincte, semnalate şi de LED-ul verde

din partea dreapta jos al montajului: a. Mod de aşteptare, cu o tensiune de ieşire nereglabilă de 1.3 V (LED stins). b. Mod activ. Sursă reglabilă de curent continuu până

la maximum 1.5 A (LED aprins). Comutarea în această stare se face prin atingerea cu degetul a celor două sârme de deasupra inscripţiei START (de sub LED), timp de 1-2 s. Apoi LED-ul se aprinde şi în următoarele 8-10 s se furnizează tensiunea reglată pe scala potenţiometrului. După acest timp, LED-ul se stinge lent, iar dispozitivul electronic trece în modul de aşteptare.

Dispozitivul are în partea stângă trei borne inscripţionate: AC 24V (curent alternativ 24V), AC corn (curent alternativ, borna comună), AC 6V (curent alternativ 6 V). Aceste borne sunt cuplate la cele trei borne corespunzătoare (de curent alternativ) ale alimentato-rului „Didactica”. Tensiunea de 6 V este furnizată de borna din stânga a alimentatorului, iar priza comună este legată la borna din mijloc. Intensitatea curentului se va calcula din valoarea acestei tensiuni şi rezistenta R a bobinei, notată pe eticheta acesteia I0=U0/R.

1

Rolul circuitului electronic de stabilizare este triplu: a. Reducerea zgomotelor redresării până la valoarea de 20 mVpp (Vpp în osciloscopie în-

seamnă tensiune în volţi vârf-vârf). b. Alimentarea bobinei cu curent continuu doar câteva secunde pentru a evita supraîn-

călzirea ei. Realimentarea după cel puţin minimum 1 minut şi dacă bobina s-a răcit. În regimul de aşteptare, radiatorul circuitului de stabilizare se încălzeşte până la tem-peratura de 35-40Cº.

c. Alimentarea circuitului anodic al diodei cu o tensiune Ua stabilizată şi reglabilă cu potenţiometrul P2. Reglajul acestui potenţiometru (trimer) nu se va modifica în tim-pul experimentului; el a fost reglat la etalonarea dispozitivului. În cursul etalonării dispozitivul a fost reglat astfel încât curentul anodic să fie mai mic decât 1 mA, cu-rentul maxim măsurabil de miliamperme-trul folosit în montajul experimental.

5. Sursă dublă, stabilizată de tipul RXN-303D-

II are trei surse de tensiune continuă total in-dependente, două reglabile fin în intervalul 0..30V, una de 5 V, toate protejate la scurtcir-cuit prin trecere în regim de generator de cu-rent constant (curentul poate fi prestabilit).

6. Generator de audiofrecvenţă de tipul TR 0163. Este un generator de semnale sinusoi-

dale cu punte T podit. În banda de 20 Hz..200 kHz furnizează semnal reglabil continuu, de putere maximă 10 W, ideală pentru studiul cir-cuitelor RLC serie. Frecvenţmetrul încorporat de 4 digiţi are precizia suficientă pentru expe-rimentele noastre.

7. Cutie decadică de condensatori. Este reglabilă în trepte de nF până la trepte în μF. Preci-zia treptelor este mai bună decât ± 0.5 %.

8. Mai multe instrumente de măsură Sunt

instrumente de măsură analogice şi digi-tale, unele de mare precizie. Rezistenţa lor de intrare este de 10 MΩ, suficient de mare pentru a nu deranja circuitele cu curenţi foarte mici (de ordinul μA).

9. Cabluri de legătură

2

B. Date constructive

1. Diodă cu vid 3Ц18П Diametrul exterior al catodului: d1= 0.9 mm Lungimea activă a catodului: lc = 6.1 mm Diametrul interior al anodului: d2= 9.8 mm Diametrul exterior al anodului: d3=10.9 mm Lungimea anodului: la =20.9 mm Anodul tubului fiind în interiorul balonului de sticlă, se conectează în circuitul exterior prin acea „căciulă” metalică din partea superioară a tubului. Catodul şi filamentul sunt legate în montaj prin soclul tubului.

2. Bobina pentru generarea inducţiei magnetice B Diametrul exterior: D2 = 40 mm Diametrul interior: Dl = 24 mm Lăţimea: a = 30 mm Numărul de spire: n = 1600 spire Rezistenta înfăşurării: R = 27 Ω Inducţia magnetică B, creată de bobina parcursă de curentul I0 se va calcula utili-zând valoarea inductanţei bobinei şi a curentului I0.

3. Tensiunea de accelerare

Dacă instrumentul de măsură a curentului anodic este legat la GND, tensiunea de acce-lerare este Ua=0,0 V.

Dacă instrumentul de măsură a curentului anodic este legat la anod, tensiunea de acce-lerare este Ua=19,5 V.

C. Rezultate experimentale. Fizicianul, când se întâlneşte cu un nou dispozitiv, pentru a înţe-

lege mai bine principiul lui de funcţionare, îl studiază în diferite montaje. În această lucrare ni se par mai puţin cunoscute dioda şi bobina pentru crearea câmpului magnetic.

1. Dioda în regim de accelerare. Utilizând montajul de mai jos am ridicat caracteristica anodică a diodei. Datele se văd în tabelul de mai jos.

3

2. Dioda în regim de frânare. Mai înainte am observat un curent anodic foarte mic la Ua=0,0V. Pentru a clarifica cauza apariţiei curentului, am trecut şi la valori negative ale tensiunii anodice. În regimul de frânare am utilizat montajul de mai jos. Cele două surse servesc la obţinerea tensiunii de frânare reglabilă fin între 0 mV şi -1000 mV. Datele experimentale se văd în tabelul de mai jos.

3. Determinarea inductivităţii bobinei. Bobina pusă la dispoziţie nu este un solenoid, deci inductanţa trebuie determinată ex-perimental. Folosind o decadă de con-densatori (pe poziţia C=0,5 μF), am realizat un circuit RLC serie, alimentat la generatorul de audiofrecvenţă TR 0163. Rezistenţa R este însăşi rezistenţa proprie a bobinei. Variind frecvenţa semnalului, dar mărimea menţinând-o constantă ( U = 3V ), am măsurat tensi-unea pe condensator. În tabelele de mai jos se văd determinările experimentale cu bobina goală şi cu dioda pusă în bobină. Din aceste tabele, dar mai ales din graficul ce rezultă, se mai pot determina şi alte lucruri importante legate de generarea câmpului magnetic.

4

4. Determinarea sarcinii specifice a electronului. Schema bloc a montajului experi-mental este reprezentată în figura alăturată. Alimentatorul „Didactica” se conectează la Circuitul electronic de stabilizare, care alimentează în curent continuu bobina ce realizează un câmp magnetic longitudinal coa-xial cu catodul diodei cu vid 3Ц18П. Anodul diodei se alimen-tează de la sursa de tensiune de ac-celerare prin miliampermetrul de curent continuu. Filamentul tubului, prin nişte rezistenţe este legat la 6,3V c.a. După încălzirea diodei electronii ies din catod şi datorită vitezei lor iniţiale, sau sub influenţa tensiunii de accelerare se îndreaptă spre anod creând un curent anodic de câteva sute de microamperi. Fenomenul fizic fundamental ce stă la baza experimentului este deviaţia electronului în câmp magnetic transversal sub acţiunea forţei lui Lorentz. Această forţă obligă electronul să descrie un arc de cerc, care intersectează cilindrul anodului. Odată cu creşterea câmpului magnetic raza cercului se micşorează şi la un moment dat electronii nu mai ajung la anod, curen-tul anodic se micşorează brusc, practic se anulează. Cunoscând geometria diodei se poate scrie condiţia de anulare a curentului anodic, de unde se determină sarcina specifică a electronului. Această metodă de determinare a sarcinii specifice se numeşte metoda magnetronului. a. Electroni termici. Am studiat dependenţa curentului anodic Ia[nA] de curentul

prin bobina I0[mA]. Ecuaţiile mişcării electronilor neacceleraţi, deviaţi în câmp magnetic transversal sunt destul de simple, dar curenţii foarte mici se măsoară difi-cil. Pentru determinarea curenţilor mici am folosit metoda de la experimentul Di-oda în regim de frânare. Tensiunea de accelerare a fost Ua=0,0V. Rezultatele expe-rimentale sunt prezentate în tabelul de mai jos.

5

b. Electroni acceleraţi. Am studiat dependenţa curentului anodic Ia[μA] de curentul prin bobina I0[mA]. Ecuaţiile mişcării electronilor acceleraţi deviaţi în câmp mag-netic transversal sunt destul de complexe, dar curenţii de ordinul a sute de μA se măsoară uşor. Tensiunea de accelerare a fost Ua=19,5V. Rezultatele experimentale sunt prezentate în tabelul de mai jos.

Dispozitivul experimental pus la dispoziţia participanţilor este reprezentat mai jos.

D. Cerinţe. Participanţii concursului s-au obişnuit deja că în loc de cerinţe concrete se spun lu-cruri vagi. Fizicianului niciodată nu i s-a cerut să descopere ceva. El, analizând toate experi-mentele, dar mai ales circumstanţele în care au fost făcute măsurătorile, încearcă să facă le-gătură între ele. Trasează grafice. Dacă acestea nu-i spun nimic, le aruncă, le retrasează sub al-tă formă şi, deodată găseşte cheia legăturilor dintre experimente. Elevii mei sunt obişnuiţi cu profesorul lor, care prezintă ceva şi dacă nu se înţelege, începe să vorbească aparent despre cu totul altceva, în acestea din urmă fiind cheia soluţiei problemei. Fiţi atenţi la prezentarea ex-perimentelor, cele mai importante lucruri vă voi spune în mici istorioare, aşa cum în viaţă, fi-zicianul face legături între nenumăratele fenomene ale naturii întâlnite de el. Fiţi odată ade-văraţi fizicieni! Vă doresc succes!

Problema a fost propusă şi realizată dr. BARTOS-ELEKES István de la Liceul „ADY Endre” din ORADEA. Montajul a fost asamblat de NAGY Zsolt, student anul II, la Universitatea Politehnica Timişoara

6