2537

Движение заряженных частиц в в электрическом и магнитном поле

Лабораторная работа

Физика

Определение удельного заряда методом магнетрона. Движение заряженных частиц в магнитном поле.

Русский

2013-01-06

97 KB

334 чел.

Цель работы:

  •  изучить движение заряженных частиц в электрическом и магнитных полях.
  •  определить удельный заряд электрона.

Теория

В электрическом поле на заряженную частицу, например, электрон, действует сила, пропорциональная величине заряда e и направленности поля Е

       (1)

Под действием этой силы электрон, имеющий отрицательный заряд, перемещается в направлении, обратном направлению вектора  (рис 1 a)

Пусть между плоскопараллельными пластинами приложена некоторая разность потенциалов U. Между пластинами создаётся однородное электрическое поле, напряжённость которого равна         (2), где d – расстояние между пластинами.

            

Рассмотрим траекторию электрона, влетающего в однородное электрическое поле с некоторой скоростью (рис 1 б) .

Горизонтальная составляющая силы равна нулю, поэтому и составляющая  скорости электрона остаётся постоянной и равна . Следовательно координата Х электрона определяется как

    (3)

В вертикальном направлении под действием силы  электрону сообщается некоторое ускорение , которое согласно второму закону Ньютона равно

        (4)

Следовательно за время  электрон приобретает вертикальную составляющую скорости                                                 (5)

Откуда                                    .

Изменение координаты У электрона от времени получим, проинтегрировав последнее выражение:

       (6)

Подставим значение t из (3) в (6) и получим уравнение движения электрона У (Х)

                 (7)

Выражение (7) представляет собой уравнение параболы.

Если длина пластин равна , то за время пролёта между пластинами электрон приобретает горизонтальную составляющую

              (8)

из (рис 1 б) следует, что тангенс угла отклонения электрона равен

     (9)

Таким образом, смещение электрона, как и любой другой заряженной частицы, в электрическом поле пропорционально напряжённости электрического поля и зависит от величины удельного заряда частицы е/m.

Движение заряженных частиц в магнитном поле.

Рассмотрим теперь траекторию электрона , влетающего в однородное магнитное поле со скоростью  (рис.2)

Магнитное поле воздействует на электрон с силой Fл , величина которой определяется соотношением Лоренца

               (10)

или в скалярном виде

       (11)

где В – индукция магнитного поля;

- угол между векторами  и . Направление силы Лоренца определяется по правилу левой руки с учётом знака заряда частицы.

Отметим, что сила, действующая на электрон, всегда перпендикулярна вектору скорости и, следовательно, является центростремительной силой. В однородном магнитном поле под действием центростремительной силы электрон будет двигаться по окружности радиуса R.  Если электрон движется прямолинейно вдоль силовых линий магнитного поля, т.е. =0, то сила Лоренца Fл равна нулю и электрон проходит магнитное поле, не меняя направления движения. Если вектор скорости перпендикулярен вектору , то сила действия магнитного поля на электрон максимальна

Так как сила Лоренца является центростремительной силой, то можно записать: , откуда радиус окружности, по которой движется электрон, равен:

               (13)

Более сложную траекторию  описывает электрон, влетающий в магнитное поле со скоростью  под некоторым углом к вектору  (рис.3). В этом случае скорость электрона имеет нормальную и тангенциальную  составляющие. Первая из них вызвана действием силы Лоренца, вторая обусловлена движением электрона по инерции. В результате электрон движется по цилиндрической спирали. Период его обращения равен     (14)  , а частота      (15). Подставим значение R  из (13) в (15):              

Из последнего выражения следует, что частота обращения электрона не зависит ни от величины, ни от направления его начальной скорости и определяется только величинами удельного заряда и магнитного поля. Это обстоятельство используется для фокусировки электронных пучков в электронно-лучевых приборах. Действительно, если в магнитном поле попадает пучок электронов, содержащий частицы с различными скоростями (рис.4), то все они опишут спираль разного радиуса, но встретятся в одной и той же точке согласно уравнению (16). Принцип магнитной фокусировки электронного пучка и лежит в основе одного из методов определения е/m. Зная величину В и измерив частоту обращения электронов , по формуле (16) легко вычислить значение удельного заряда.

Если зона действия магнитного поля ограничена, а скорость электрона достаточно велика, то электрон движется по дуге и вылетает из магнитного поля, изменив направление своего движения (рис 5). Угол отклонения рассчитывается так же, как и для электрического поля и равен:   , (17)                              где  в данном случае – протяжённость зоны действия магнитного поля. Таким образом, отклонение электрона в магнитном поле пропорционально е/m и В и обратно пропорционально .

В скрещенных электрическом и магнитном полях отклонение электрона зависит от направления векторов  и  и соотношения их модулей. На рис. 6 электрическое и магнитное поля взаимно перпендикулярны и направлены таким образом, что первое из них стремиться отклонить электрон вверх, а второе – вниз. Направление отклонения зависит от соотношения сил Fл и . Очевидно, что при равенстве сил  и Fл                                 (18)                       электрон не изменит направления своего движения.

Предположим, что под действием магнитного поля электрон отклонился на некоторый угол . Затем приложим электрическое поле некой величины, чтобы смещение оказалось равным нулю. Найдём из условия равенства сил (18) скорость  и подставим её значение в уравнение (17).

Откуда                                     

                 (19)

Таким образом зная угол отклонения , вызванный магнитным полем , и величину электрического поля , компенсирующую это отклонение, можно определить величину удельного заряда электрона е/m .

Определение удельного заряда методом магнетрона.

Определение е/m в скрещенных электрическом и магнитном полях может быть выполнено также с помощью двухэлектродного электровакуумного прибора – диода. Этот метод известен в физике, как метод магнетрона. Название метода связано с тем, что используемая в диоде конфигурация электрического и магнитного полей идентична конфигурации полей в магнетронах – приборах, используемых для генерации электромагнитных колебаний в СВЧ - области.

Между цилиндрическим анодом А и цилиндрическим катодом К (рис.7), расположенным вдоль анода, приложена некоторая разность потенциалов U , создающая электрическое поле E, направленное по радиусу от анода к катоду. В отсутствие магнитного поля (В=0) электроны движутся прямолинейно от катода к аноду.

При наложении слабого магнитного поля, направление которого параллельно оси электродов, траектория электронов искривляется под действием силы Лоренца, но они достигают анода. При некотором критическом значении индукции магнитного поля В=Вкр, траектория электронов искривляется настолько, что в момент достижения электронами анода вектор их скорости направлен по касательной к аноду. И, наконец, при достаточно сильном магнитном поле В>Вкр, электроны не попадают на анод. Значение Вкр не является постоянной величиной для данного прибора и зависит от величины приложенной между анодом и катодом разности потенциалов.

Точный расчёт траектории движения электронов в магнетроне сложен, так как электрон движется в неоднородном радиальном электрическом поле. Однако, если радиус

катода много меньше радиуса анода b, то электрон описывает траекторию, близкую к круговой, так как напряжённость электрического поля, ускоряющего электроны, будет максимальной в узкой прикатодной области. При В=Вкр радиус круговой траектории электрона, как видно из рис.8. будет равен половине радиуса анода R=b/2. Следовательно, согласно (13) для Вкр имеем:

                (20)

С другой стороны кинетическая энергия электронов, находящихся вблизи анода, определяется только разностью потенциалов между анодом и катодом, так как в магнитном поле скорость не изменяется по величине. Тогда , откуда

       (21)

Подставив значение  из (20) в (21), получи выражение для расчёта удельного заряда электрона:

         (22)

Таким образом, для определения удельного заряда электрона методом магнетрона, достаточно измерить анодную разность потенциалов U , критическое значение индукции магнитного поля Вкр и радиус анода b.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

24973. Опытное обоснование основных положений МКТ строения вещества. Масса и размер молекул. Постоянная Авогадро 27.5 KB
  Микрохарактеристики вещества. Молекулярнокинетическая теория это раздел физики изучающий свойства различных состояний вещества основывающийся на представлениях о существовании молекул и атомов как мельчайших частиц вещества. Все вещества состоят из мельчайших частиц: молекул атомов или ионов.
24974. Идеальный газ. Основное уравнение МКТ идеального газа. Температура и ее измерение. Абсолютная температура 26.5 KB
  Основное уравнение МКТ идеального газа. Понятие идеального газа свойства. Объяснение давления газа. Для объяснения свойств вещества в газообразном состоянии используется модель идеального газа.
24975. Уравнение состояния идеального газа. (Уравнение Менделеева—Клапейрона.) Изопропессы 41.5 KB
  Процессы в газах. Эти величины называют параметрами состояния газа. Для произвольной массы газа единичное состояние газа описывается уравнением Менделеева Клапейрона: pV = mRT M где р давление V объем т масса М молярная масса R универсальная газовая постоянная.
24976. Испарение и конденсация. Насыщенные и ненасыщенные пары. Влажность воздуха. Измерение влажности воздуха 23.5 KB
  Поэтому атмосферное давление представляет собой сумму давления сухого воздуха и находящегося в нем водяного пара. Давление водяного пара будет максимальным при насыщении воздуха паром. Так давление насыщенного пара не зависит от объема но зависит от температуры. Эта зависимость не может быть выражена простой формулой поэтому на основе экспериментального изучения зависимости давления насыщенного пара от температуры составлены таблицы по которым можно определить его давление при различных температурах.
24977. Кристаллические и аморфные тела. Упругие и пластические деформации твердых тел 24 KB
  Твердые тела. Кристаллические тела. Аморфные тела.
24978. Работа в термодинамике. Внутренняя энергия. Первый закон термодинамики. Применение первого закона к изопроцессам. Адиабатный процесс 29.5 KB
  Существуют два способа изменения внутренней энергии: теплопередача и совершение механической работы например нагревание при трении или при сжатии охлаждение при расширении. Теплопередача это изменение внутренней энергии без совершения работы: энергия передается от более нагретых тел к менее нагретым. Теплопередача бывает трех видов: теплопроводность непосредственный обмен энергией между хаотически движущимися частицами взаимодействующих тел или частей одного и того же тела; конвекция перенос энергии потоками жидкости или газа и...
24979. Взаимодействие заряженных тел. Закон Кулона. Закон сохранения электрического заряда 31 KB
  Способность электрических зарядов как к взаимному притяжению так и к взаимному отталкиванию объясняется существованием двух видов зарядов. алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной: q1 q2 . Появление и исчезновение электрических зарядов на телах в большинстве случаев объясняется переходами элементарных заряженных частиц электронов от одних тел к другим. Законы взаимодействия неподвижных электрических зарядов изучает электростатика.
24980. Работа и мощность в цепи постоянного тока. Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи 26 KB
  Работа тока. В электрическом поле из формулы определения напряжения U = A q легко получить выражение для расчета работы переноса электрического заряда А = Uq так как для тока заряд q = It то работа тока: А = Ult или А = I2R t = U2 R t. При прохождении тока по проводнику количество теплоты выделившейся в проводнике прямо пропорционально квадрату силы тока сопротивлению проводника и времени прохождения тока.
24981. Магнитное поле, условия его существования. Действие магнитного поля на электрический заряд и опыты, подтверждающие это действие. Магнитная индукция 54 KB
  Магнитное взаимодействие движущихся электрических зарядов согласно представлениям теории близкодействия объясняется следующим образом: всякий движущийся электрический заряд создает в окружающем пространстве магнитное поле. Магнитное поле особый вид материи который возникает в пространстве вокруг любого переменного электрического поля. С современной точки зрения в природе существует совокупность двух полей электрического и магнитного это электромагнитное поле оно представляет собой особый вид материи т.