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

336 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

30717. ФРГ: переход к новой «восточной политике». Договор с СССР от 12 августа 1970 г 27 KB
  Брандт с 1969 канцлер ФРГ лидер социалдемократов. Подтверждалось что Западный Берлин не является частью территории ФРГ и устанавливался тройной механизм взаимоотношений между компетентными органами ГДР Западного Берлина и ФРГ по вопросам регулирования транзитных перемещений граждан транспортного телефонного и телеграфного сообщения и пр. Но Западный Берлин имел международные соглашения заключенные ФРГ поэтому ФРГ получила право представлять интересы жителей Западного Берлина в международных организациях по вопросам не...
30718. Причины, особенности и основные последствия мирового экономического кризиса 1929 – 1933 гг 23 KB
  Мировой экономический кризис 19291933 годов носивший название Великой депрессии наиболее сильно затронул такие страны как Великобритания США Франция Канада и Германия. Важным фактором обусловившим всемирный характер великой депрессии стал процесс перемещения экономического центра из Западной Европы в США. Последствиями Великой депрессии стали: ухудшение уровня жизни фермеров и мелких торговцев; уменьшение уровня производства; рост числа безработных; возрастание сторонников фашистских организаций.
30719. Исторический опыт Народных фронтов (Франция, Испания, Чили) 23.5 KB
  Народный фронт представляет собой политический союз который как правило объединяет левые и центральные силы для осуществления противодействия правым силам представителей власти. Основной целью возникновения народных фронтов стала борьба за защиту экономических интересов рабочего класса и противопоставление войне и фашизму. Самый первый народный фронт был образован во Франции в 1935 году который объединил в себе все левосторонние партии.
30720. Общее и особенное в политике британских консерваторов и лейбористов в 1920-е гг 23 KB
  Консервативная партия Великобритании одна из двух ведущих политических партий страны образовавшаяся в 1867 году на базе партии тори. К 1930му году в Великобритании стала ясной гибель радикального социализма тогда на первый план выдвинулся либерализм который настаивал на прямом вмешательстве государства в экономику и передаче государству целого ряда социальных функций. Внутреннюю политику консерваторов Великобритании 1920 1930х годов можно охарактеризовать как стремление сохранить существующую ранее универсальность и...
30721. Основные этапы первой мировой войны. Факторы поражения германо-австрийского блока 27.5 KB
  В июле 1914 г Германия и Австровенгрия начинают первую мировую войну. Германия хотела сначала вывести из строя Францию чтобы прекратить борьбу на два фронта: Западном и Восточном. 1 этап вторжение в Бельгию где Германия потерпела поражение: в Восточной Пруссии Германия воевала с русскими армиями; в Галиции и Польше где победы достались русским. Германия и АвстроВенгрия были экономически истощены под влиянием революций в России среди военных германии и Австрии усилилась антивоенная агитация народ устал от...
30722. «Новый курс» Результата и его историческое значение 24.5 KB
  Его основная цель состояла в оздоровлении экономики и восстановления доверия граждан к государству. Политика Рузвельта получила название Новый курс который он восстановил государственное регулирование экономики и социальных отношений. Законом об оздоровлении национальной экономики вся промышленность была разделена на 17 групп по отраслям и регулировалась нормативными актами кодексами чести определявшими объем выпуска товаров уровня заработной платы распределение рынков сбыта продолжительность рабочего времени и др....
30723. Эволюция и крах бюрократических режимов в стране ЦЮВЕ 26.5 KB
  было сформировано коалиционное правительство в ГДР. Чехословакия и ГДР несколько условно могут быть отнесены к государствам с довольно высоким уровнем развития Польша Венгрия Хорватия и Словения страны среднего развития а Болгария Румыния четыре другие республики бывшей Югославии Сербия Черногория Македония Босния и Герцеговина Албания низкого. По решению парламентов ГДР и ФРГ с 1 июля 1990 г. ГДР прекратила свое существование вместо нее появились пять новых федеральных земель ФРГ.
30724. Изоляционизм США термин использовавшийся с середины 19 в. 25 KB
  Изоляционизм США термин использовавшийся с середины 19 в. для обозначения направления во внешней политике США в основе которого лежит идея невмешательства в европейские дела и вообще в вооруженные конфликты вне американского континента. складывались под влиянием ряда факторов: географическая обособленность Американского континента создание в США ёмкого внутреннего рынка способствовавшего тому что значительная часть буржуазии мало интересовалась заокеанской экспансией расширение за счет др.
30725. Великобритания выбор новой модели развития в условиях кризиса и распада колониальной империи 28.5 KB
  Черчилль предложил емкую формулировку такого мировидения концепцию трех великих кругов центром пересечения которых считалась Британия. Чем глубже пускала корни биполярная система мира тем активнее Британия искала себе место в условиях противостояния двух сверхдержав. в 19401950е годы Британия все еще ощущала себя империей однородным государством и державой глобального масштаба.