12358

Определение отношения заряда электрона к его массе методом магнетрона

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа № 19 Определение отношения заряда электрона к его массе методом магнетрона 1. Цель работы: измерение удельного заряда |e|/m электрона. 2. Методика измерений Существуют различные методы определения отношения |e|/m в основе которых лежат результа...

Русский

2013-04-26

245 KB

101 чел.

Лабораторная работа № 19

«Определение отношения заряда электрона к его массе методом

магнетрона»

1. Цель работы: измерение удельного заряда (|e|/m) электрона.

2. Методика измерений

Существуют различные методы определения отношения |e|/m, в основе которых лежат результаты исследования движения электрона в электрическом и магнитном полях. Один из них – метод магнетрона. Называется он так по тому, что конфигурация полей в нем напоминает конфигурацию полей в магнетронах – генераторах электромагнитных колебаний.

Сущность метода состоит в следующем: специальная двухэлектродная электронная лампа, электроды которой представляют собой два коаксиальных цилиндра, помещается внутри соленоида так, что ось лампы совпадает с осью соленоида. Электрическое поле между катодом (внутренний цилиндр) и анодом (внешний цилиндр) имеет радиальное направление. Электроны, вылетающие из катода лампы, при отсутствии тока в соленоиде движутся радиально к аноду. При протекании тока по соленоиду в лампе создается магнитное поле, параллельное оси лампы, и на электроны начинает действовать сила Лоренца

, (19.1)

где е – заряд электрона,  – скорость электрона,  – индукция магнитного поля. Под действием этой силы, направленной в каждый момент времени перпендикулярно вектору скорости, траектория электронов искривляется (рис.19.1а).

При определенном соотношении между скоростью электрона и индукцией магнитного поля электроны перестают попадать на анод, и ток в лампе прекращается.

Под действием этой силы, направленной в каждый момент времени перпендикулярно вектору скорости, траектория электронов искривляется (рис.19.1а). При определенном соотношении между скоростью электрона и индукцией магнитного поля электроны перестают попадать на анод, и ток в лампе прекращается.

Электрическое поле, имеющее только радиальную компоненту, действует на электрон с силой, направленной по радиусу от катода к аноду. Магнитная сила, действующая на электрон, не имеет составляющей, параллельной оси Z. Поэтому электрон, вылетевший из катода без начальной скорости (начальные скорости электронов, определяемые температурой катода, много меньше скоростей, приобретаемых ими при движении в электрическом поле лампы), движется в плоскости, перпендикулярной оси Z.

Рис.19.1. Траектории электронов в магнетроне.

Момент импульса Lz электрона относительно оси Z

, (19.2)

где  – составляющая скорости, перпендикулярная радиусу .

Момент М сил, действующих на электрон, относительно оси Z определяется только составляющей магнитной силы, перпендикулярной . Электрическая сила и составляющая магнитной силы, направленные вдоль радиуса , момента относительно оси Z не создают. Таким образом:

, (19.3)

где  – радиальная составляющая скорости электрона. Согласно уравнению моментов

 (19.4)

Проектируя на ось Z, получим

 (19.5)

или

 (19.6)

Интегрируем уравнение (19.6):

. (19.7)

Константу найдем из начальных условий: при r=rк (где гк — радиус катода) v=0. Тогда:

 (19.8)

и . (19.9)

Кинетическая энергия электрона равна работе сил электрического поля:

 (19.10)

где U – потенциал точки поля относительно катода, в которой находится электрон.

Подставляя в (19.10) значение из (19.9), получаем

. (19.11)

При некотором значении индукции магнитного поля Bкр, которое называют критическим, скорость электрона вблизи анода станет перпендикулярной радиусу r, т.е. при r=rа vr=0. Тогда уравнение (19.11) примет вид

, (19.12)

где Uа – потенциал анода относительно катода (анодное напряжение), rа – радиус анода.

Отсюда находим выражение для удельного заряда электрона

. (19.13)

Индукция магнитного поля соленоида, длина L которого соизмерима с диаметром D, находится по формуле

, (19.14)

где N – число витков соленоида, Iкр ток в соленоиде, L – длина соленоида, D – диаметр его витков.

Таким образом, экспериментально определив Вкр, можно вычислить величину e/m. Для нахождения Вкр в лампе следует установить разность потенциалов между анодом и катодом и, включив ток в соленоиде, постепенно наращивать его, что увеличивает магнитное поле в лампе.

Если бы все электроны покидали катод со скоростью, равной нулю, то зависимость величины анодного тока от величины индукции магнитного поля имела бы вид, показанный на рис.19.2 (пунктирная линия). В этом случае при B<Bкр все электроны, испускаемые катодом, достигали бы анода, а при В>Вкр ни один электрон не попадал бы на анод.

Однако, некоторая неаксиальность катода и анода, наличие остаточного газа в лампе, падение напряжения вдоль катода и т.д. приводят к тому, что критические условия достигаются для разных электронов при различных значениях В. Все же перелом кривой останется достаточно резким и может быть использован для определения Вкр.

Рис.19.2. Зависимость анодного тока от магнитной индукции.

3. Экспериментальная установка.

Для определения удельного заряда электрона предназначена кассета ФПЭ-03, к которой подключается источник питания ИП и измерительный прибор В7-58/2, как это показано на рис.19.3.

Геометрические размеры соленоида:

- длина L=1705 мм;

- число витков N=10002; диаметр D=605 мм.

- радиус ra=8,000,10 мм.

Радиус катода считать малым rк<<rа, т.е. rк/ra→0.

Рис.19.3. Схема экспериментальной установки.

4. Порядок выполнения работы.

4.1. Собрать электрическую схему установки (рис.19.3,19.4). Для этого подсоединить два гнезда на лицевой панели кассеты ФПЭ-03 с соответствующими гнездами измерительного прибора В7-58/2 для измерения тока. Установить предел измерения прибора 200 A постоянного тока.

4.2. Установить ручкой 3 напряжение Uа= 40 В по вольтметру ИП. Дать разогреться катоду в лампе в течении 5-10 минут

Рис.19.4. Электрическая схема экспериментальной установки.

4.3. Ручкой 2 изменять ток в соленоиде от минимального через 0,1 А при постоянном анодном напряжении. Снять сбросовую характеристику, т.е. зависимость анодного тока Iа от тока в соленоиде Ic Значения анодного тока Iа, определяемые по прибору В7-58/2, и значения тока в соленоиде, определяемые по показаниям амперметра ИП, занести в табл.19.1.

4.4. Повторить п.п. 2 и З при трех других значениях анодного напряжения (в диапозоне 40-100 В). Результаты измерений занести в табл.19.1.

Таблица 19.1.

Ua=40 В

Ua=…В

Ua=…В

Ua=…В

Ic, А

Iа, мкА

Ic, А

Iа, мкА

Ic, А

Iа, мкА

Ic, А

Iа, мкА

4.5. Для каждого значения анодного напряжения построить сбросовую характеристику, откладывая по оси ординат значения анодного тока Iа, а по оси абсцисс – значения тока в соленоиде Iс. Для нахождения критического значения тока в соленоиде Iкр найти точку перегиба на участке спада сбросовой характеристики (как показано на рис.19.5).

Рис.19.5. Критическое значение тока в соленоиде.

Занести полученные значения Iкр в табл.19.2.

Таблица 19.2.

Uа, В

Iкр, А

B2кр, (мТл)2

|e|/m, Кл/кг

4.6. Для каждого критического значения тока в соленоиде Iкр, по формуле (19.14) рассчитать индукцию магнитного поля Вкр. Занести в табл.19.2 квадрат найденных величин.

4.7. Построить график зависимости B2кр=f(Uа). Из выражения (19.13) видно, что эта зависимость прямо пропорциональная вида y=kx. По угловому коэффициенту полученной прямой определить удельный заряд электрона |e|/m.

4.8. Сравнить полученное значение |e|/m с табличным.

4.9. Вычислить относительную погрешность полученной величины |e|/m.

5.Контрольные вопросы.

5.1. Электрический ток в вакууме. Термоэлектронная эмиссия.

5.2.Магнитное поле соленоида.

5.3.Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях.

5.4. В чем суть метода магнетрона для определения отношения |e|/m?

5.5. Будет ли влиять на величину Вкр изменение направления тока соленоида на противоположное?

5.6. Зависит ли величина |e|/m от величины анодного напряжения?

Рекомендуемая литература.

  1.  Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: Учеб. пособие для втузов.– 2-е изд., испр. и доп.– М.: Высш. шк., 1999.– 718 с.: ил.
  2.  Савельев И.В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 3-х т. Т.2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. – 3-е изд., испр. –М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. 496 с., ил.
  3.  Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов.– 5-е изд., стер.– М.: Высш. шк., 1998.– 542 с.: ил.

5

  1.  

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

84459. Закріплення знань про слова, які вказують на предмети 47 KB
  Мета. Закріпити знання учнів про слова, які означають назву предмета. Вчити розпізнавати іменники в тексті, будувати з ними речення. Формувати навички правильного написання словникових слів. Розвивати логічне мислення, творчу уяву, самостійність під час сприймання матеріалу.
84460. Поняття про фразеологізми та їх лексичне значення 55.5 KB
  Мета: дати учням загальні відомості про фразеологізми; вчити пояснювати значення фразеологізмів правильно використовувати їх у мовленні; ознайомити із фразеологічним словником української мови; розвивати культуру мовлення образне мислення; виховувати бажання здобути знання.
84461. Апостроф. Литовська народна казка «Чому кіт умивається після сніданку?» 840 KB
  Мета: вчити дітей правильно вимовляти та писати слова з апострофом; формувати вміння ставити апостроф у словах; розвивати зв;язне мовлення навички свідомого виразного читання вміння спостерігати порівнювати; поповнювати словниковий запас; прищеплювати інтерес до усної народної творчості...
84463. Закріплення знань про головні та другорядні члени речення. Встановлення зв’язку слів у реченнях 52.5 KB
  Мета: закріпити знання учнів про члени речення; формувати вміння визначати в реченнях головні й другорядні члени речення встановлювати зв’язок слів у реченні за допомогою питань; розвивати зв’язне мовлення; виховувати любов до природи.
84464. Встановлення зв’язку іменника з прикметником 44 KB
  Мета: формувати в учнів ключові компетентності, а саме: вміння вчитися – самоорганізовуватися до навчальної діяльності у взаємодії, планувати свої дії, доводити роботу до кінця; загальнокультурну компетентність – дотримуватися норм мовленнєвої культури, зв’язно висловлюватися в контексті змісту...
84465. Синоніми – слова, близькі за значенням 45 KB
  Мета. Виробляти вміння добирати синоніми використовувати їх у мовленні. А називають ці слова – синоніми. Синоніми допоможуть зробити нашу мову виразнішою багатшою точнішою і краще допоможуть висловлювати свою думку уникати частого повторення одних і тих самих слів.
84466. Чергування приголосних звуків г,к,х -з,ц,с -ж,ч,ш у коренях слів 38 KB
  Формувати вміння учнів писати і вимовляти слова в яких відбувається чергування голосних у корені слова; знайомити з чергуванням приголосних звуків у коренях слів; розвивати вміння чергувати приголосні звуки в коренях слів вміння аналізувати зіставляти узагальнювати; виховувати охайність під час письма.
84467. Складання тексту з деформованих речень «Зима – Чарівниця» 122 KB
  Мета: вчити учнів фантазувати, бачити прекрасне у навколишньому, вчити дітей сприймати та передавати красу зимової природи через музику, художні образи, пісню, слово; удосконалювати навички грамотного письма, продовжити формування поняття тексту, добирати заголовок та складати текст...