42158

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА С ПОМОЩЬЮ МАГНЕТРОНА

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Пусть частица с зарядом q движется в электрическом поле напряженности . Сила действующая на частицу в поле равна . Нетрудно видеть что ускорение заряженной частицы в электрическом поле зависит от ее удельного заряда .

Русский

2013-10-27

119 KB

11 чел.

ЛАБОРАТОРНАЯ   РАБОТА   № 4 – 6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА С ПОМОЩЬЮ МАГНЕТРОНА

         Цель работы - экспериментальное определение удельного заряда электрона методом отклонения движущихся электронов в магнитном поле

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

         Одной из главных характеристик заряженной частицы, как и всякого заряженного тела, является электрический заряд  q. Однако движение заряженной частицы в электрическом и магнитном полях определяется не зарядом  q, а отношением заряда  q к массе m частицы, называемым удельным зарядом.

         Поясним это на некоторых примерах.

         1. Пусть частица с зарядом  q движется в электрическом поле напряженности   . Сила, действующая на частицу в поле, равна .

         Запишем для такой частицы уравнение движения

                                     .

Нетрудно видеть, что ускорение заряженной частицы в электрическом поле зависит от ее удельного заряда

                                            .                                                           (1)

         2. Пройдя ускоряющую разность потенциалов U , заряженная частица приобретет энергию, равную

                                          

Из этого равенства следует, что другая характеристика частицы – ее скорость - также определяется  удельным зарядом:

                                                                                                 (2)

         Если заряженная частица, движущаяся по инерции, попала в магнитное поле со скоростью  V, то на нее со стороны поля действует сила Лоренца   .

         В соответствии с правилами векторного умножения направление силы    перпендикулярно как скорости  , так и вектору магнитной индукции  . Следовательно, элементарная работа по перемещению заряда  q в магнитном поле равна  

                           F v Cos 900 dt = 0,

то есть значение кинетической энергии   частицы в магнитном поле сохраняется, сохраняется и численное значение (модуль) скорости . Изменяется лишь направление скорости, а это означает, что заряженная частица в однородном магнитном поле должна двигаться точно по окружности, если нет составляющей скорости вдоль направления магнитного поля. Таким образом, сила Лоренца выступает в качестве центростремительной силы (рис. 1, 2)

                                              ,

откуда можно найти радиус траектории     

                                               .

                    

                              

                            Fл     R                                    Rе 

                                                                        p  

                                                                n       

                                                                                           vе      Rp     

                                                                             е             

                                    а                                              б

                                                         Рис. 1                                       

а) траектория положительно заряженной частицы, попавшей в однородное поле В  (поле направлено к нам);

б) примерные траектории протона и электрона в однородном поле (частицы образовались в поле   при распаде нейтрона)

         Таким образом, характер движения заряженной частицы в магнитном поле определяется также значением удельного заряда частицы, q/m. Так как скорость частицы значительно меньше скорости света, то потерями энергии частицы в результате излучения при движении с ускорением можно пренебречь.

         Следует отметить, что ни уравнение (2), относящееся к движению частиц в электрическом поле, ни уравнение (3), описывающее движение частиц в магнитном поле, не позволяет определить заряд и массу частиц порознь, так как в каждом из этих уравнений содержится три неизвестных величины: q, v  и m. По той же причине заряд и масса не могут быть определены и при совместном решении обоих уравнений. Но если определять не  q и m в отдельности, а их отношение, то есть удельный заряд, то эти уравнения содержат два неизвестных (q/m  и v) и поэтому их совместное решение возможно. На этом и основано большинство методов экспериментального определения удельного заряда частиц. Для этого исследуется движение частиц одновременно в электрическом и магнитном полях, чтобы можно было использовать уравнения (2) и (3).

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

         Исследуемыми частицами в данной работе являются электроны (заряд электрона в дальнейшем будем обозначать  е). Электроны можно «получить» с помощью термоэлектронной эмиссии, которая заключается в том, что раскаленная металлическая нить, помещенная в вакуум, испускает со своей поверхности термоэлектроны.

         В качестве источника электронов в настоящей работе используется подогреваемый катод электронной лампы. Магнитное поле, в которое помещается электронная лампа, создается соленоидом, магнитная индукция которого определяется по формуле

                                         ,                                                    (4)

где  В – индукция магнитного поля внутри соленоида,   = 1, 0 = 4 10-7 Гн/м, N – число витков соленоида, I – сила тока,  L – длина соленоида,    D – диаметр соленоида.

         Электронная лампа помещается в соленоид таким образом, чтобы магнитные силовые линии были параллельны оси катода лампы. В работе используется трехэлектродная лампа, сетка  «С» в которой соединена с анодом «А». (рис. 3).

         При таком соединении электрическое поле между сеткой и анодом близко к нулю ( так как разность потенциалов между сеткой и анодом равна нулю). Следовательно, электроны ускоряются только в пространстве между катодом  К  и сеткой  С, двигаясь дальше к аноду с постоянной скоростью, которая определяется выражением (2).

                   А                                                            А

    А                         V                                                        С           1

C                                                                                                                

       К                                                                    _                К             2

     н                                                                                                3

                                 А                                                   +   

                             Рис. 3                                                                        Рис. 4

Если магнитное поле отсутствует, то частицы двигаются по радиусу системы (рис. 4, пунктирная линия). В слабом магнитном поле траектория частиц под действием силы Лоренца искривляется (рис. 4,     кривая 1). Причем в промежутке между сеткой и анодом, где электрическое поле отсутствует, электроны, согласно сказанному выше, должны двигаться точно по окружности. В промежутке между катодом и сеткой радиус кривизны будет переменным, так как скорость электронов изменяется под действием электрического поля.

         Радиус окружности, по которой движется электрон, в промежутке между сеткой и анодом будет определяться величиной магнитного поля (3). Следовательно, если радиус окружности будет меньше половины радиуса анода, то электроны его не достигнут (рис. 4, кривая 3).

         Решая совместно (2) и (3), получим соотношение для удельного заряда электрона

                                     ,                                                (5)

где  rрадиус, по которому движутся электроны. При достижении критического значения магнитного поля  ВКР , когда  r    RA/2, электроны не будут достигать анода.

         Формула  (5)  позволяет вычислить  е/m, если при заданном U найдено такое значение магнитного поля, при котором электроны перестают попадать на анод.  Это означает, что ток в цепи анода отсутствует (рис. 5), а значение магнитного поля в этом случае называют критическим. С учетом сказанного выражения (4) и (5) будут иметь вид

                         ,                ,            

откуда окончательно

                                       .                                       (6)

         До сих пор предполагалось, что все электроны покидают катод со скоростью, точно равной нулю. Как следует из (6), в этом случае при         I IКР  все электроны без исключения попадали бы на анод, а при I IКР все возвращались бы на катод, не достигнув анода.

         Ia

                           f               a

                                          IКР                d

                                            a               IC

                              Рис. 5                                            Рис. 6

  

              f                                           d

                                   IКР                        IC    

                               Рис. 7       

         На самом деле электроны, испускаемые подогретым катодом, обладают различными начальными скоростями. Поэтому для различных электронов критические условия достигаются при различных значениях IC: для медленных при токах  I IКР, для быстрых при  I IКР  (рис.5).

         Вследствие того, что зависимость  Ia от IС  представляется кривой   f – d  (рис. 5), за IКР  принимается  некоторое среднее значение IС  , лежащее между точками  f  и  d (рис.7). Для большей определенности удобно брать значение IКР,  соответствующее точке участка   f – d, где    достигает максимума (рис. 5), то есть там, где наблюдается наибольший излом кривой  f – d.   - есть не что иное, как производная анодного тока  Ia  от тока соленоида  IC.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

         В работе используется электронная лампа, сетка которой во внешней цепи накоротко соединена с анодом (рис. 4).          

         1. Изучите и соберите схему изображенную на рис. 3. Отдельно соберите схему питания соленоида, рис. 8.

                                                                               

                                                     А                       с

                                                                  R

                                =  

                                                                                с

                                                                                  

                                                     Рис. 8

  1.  Включите установку в сеть.

         3. Установите ток накала лампы 0,3 – 0,5 А. Реостатом, с которого подается питание на лампу, установите напряжение  между сеткой и катодом 4 – 8 В (по указанию преподавателя). Ток накала отрегулируйте таким образом, чтобы анодный ток не превышал 90 мкА или по указанию таблички на установке. Когда анодный ток примет стабильную величину, в табл. 1 занесите первое значение  Iа , соответствующее  IC = 0

Таблица 1

Ток в соленоиде, IC

Анодный ток

Приращение анодного тока

Iа

Приращение тока в соленоиде

IC

Iа,

прямой

Iа

обратный

<Iа>

Через 0,02 А плавно увеличивайте ток в обмотке соленоида. Внимательно следите, чтобы напряжение на сетке, аноде и ток накала поддерживались постоянными в процессе измерения. Значения анодного тока в зависимости от тока в соленоиде снимайте дважды: в прямой последовательности, когда ток в соленоиде возрастает, и обратной - через те же значения тока в соленоиде. Результат усредните.

         4. На миллиметровой бумаге начертите зависимость Ia = f1 (IC) и   (см. рис. 6, 7). Максимальное значение    соответствует  IКР  соленоида.

         5. Параметры соленоида и электронной лампы, указанные в таблице на установке, занесите в табл. 2.                                                                        

Таблица 2

Длина катушки, L, м

Число витков,

N

Средний диаметр,

D, м

Разность потенциалов,

U, В

Радиус анода,

RА, м

Критический ток в соленоиде

IКР, А

Используя параметры, указанные в табл. 2, по формуле 6 рассчитайте удельный заряд электрона.

                    

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  1.  Что такое сила Лоренца? Как определяется ее величина и направление?
  2.  Покажите, что магнитное поле не совершает работы над заряженной частицей.
  3.  Нарисуйте траекторию движения электрона в лампе в присутствии осевого магнитного поля.
  4.  Выведите расчетную формулу для определения e/m.
  5.  Почему анодный ток изменяется с возрастанием тока в соленоиде?
  6.  При каком характере зависимости  Iа  от  IС достигается наибольшая точность определения удельного заряда электрона?
  7.  Какой ток принимается за критический?

32


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

28777. Формирование древнерусской государственности. Принятие христианства и его влияние на дальнейшее развитие страны 111.82 KB
  Это тем более очевидно что классовые общества и государства в Скандинавии сложились позже чем на Руси и серьезно повлиять на формирование НовгородскоКиевской Руси варяги не могли.Роль варяжского элемента в ранних государственных структурах Древней Руси 4. И пошли за море к варягам к руси. Сказали Руси чудь славяне кривичи и весь: Земля велика и обильна а порядка в ней нет.
28778. Эволюция древнерусской государственности в XI-XII вв. Международные связи древнерусских земель 25.18 KB
  Международные связи древнерусских земель. Ее причинами были: раздел территории на уделы между наследниками различных ветвей Дома Рюриковичей происходил в результате действовавшего принципа по старшинству к старшему в роду; постоянные княжеские усобицы в основе которых часто лежали политические амбиции тех или иных конкретных лиц не согласных с лествичным правом; рост крупного землевладения укреплявший чувство уверенности в своих силах у крупных владетелей обладавших значительными материальными ресурсами; натуральный характер...
28779. Борьба народов Руси с иноземными захватчиками в XII в. 66.86 KB
  Борьба народов Руси с иноземными захватчиками в XII в. XIII век в истории Руси это время вооруженного противостояния натиску с востока монголотатары и северозапада немцы шведы датчане. Встают два важных вопроса: почему русские княжества проявив героизм и мужество не смогли дать отпор завоевателям Какие последствия имело для Руси иго Ответ на первый вопрос очевиден: конечно имело значение военное превосходство монголотатар жесткая дисциплина отличная конница прекрасно налаженная разведка и др. Другие подчеркивают...
28780. Держава Чингисхана и монгольские завоевания. Иго и дискуссия о его роли в становлении Русского государства 29.73 KB
  Влияние монголотатарского ига на развитие русских земель. Упомянув кратко о зависимости русских князей от ханских ярлыков и сбора налогов Соловьев отмечал что нет причины признавать значительное влияние монголов на русскую внутреннею администрацию поскольку мы не видим никаких его следов. произошло не благодаря а вопреки Орде с точки зрения на монгольское иго в современной исторической науке: Традиционная история рассматривает его как бедствие для русских земель. Нашествие кочевников сопровождались массовыми разрушениями русских городов...
28781. Начало самодержавия в России. Внутренняя и внешняя политика Ивана IV. Альтернативы развития страны: «Избранная Рада » и опричнина 17.93 KB
  Внутренняя и внешняя политика Ивана IV. Царствование Ивана Грозного принято условно делить на две части сильно отличающиеся друг от друга по внутренней политике. Это знаменовало формирование на Руси нового типа традиционного общества сословнопредставительной монархии Постоянным же совещательным органом при царе служила еще со времен Ивана III Боярская дума состоявшая из бояр. Первый Земский собор орган сословного представительства обеспечивающий связь центра и мест речь Ивана IV с лобного места: осуждение неправильного боярского...
28782. Смута: социальная катастрофа или время альтернатив? Причины и последствия смутного времени. Начало династии Романовых 18.58 KB
  Смутное время началось после смерти Федора Ивановича последнего царя из рода Рюрика 6 января 1598 г. Русская армия в это время готовилась выйти на помощь Смоленску который с сентября 1609 года был осаждён войсками польского короля Сигизмунда III. Поляки и запорожцы овладели городами северской земли; население Стародуба и Почепа полностью погибло во время вражеского штурма; Чернигов и НовгородСеверский сдались.
28783. Понятие модернизации, ее виды и циклы. Особенности петровской модернизации 14.86 KB
  Первым этапом такой модернизации в России стали реформы Петра I Великого Основными предпосылками реформ были: 1 тупик развития 2 необходимость выхода к морям для развития экономики. Именно с этой даты ведется отсчет истории России как великой державы. Превращение России в великую и морскую державу символизировало принятие Петром Великим наследственного императорского титула.
28784. Реформы Петра I. Каково соотношение модернизационных и традиционных начал в политике Петра 13.47 KB
  Каково соотношение модернизационных и традиционных начал в политике Петра Модернизация в России догоняющая.
28785. В чем заключалась политика «Просвещенного абсолютизма» Екатерины II 21.04 KB
  Таким образом Екатерина стремилась достигнуть союза между монархом и обществом не на принуждении абсолютизм а на добровольном осознании своих прав и обязанностей. Екатерина поощряла развитие образования и науки торговопромышленной деятельности способствовала зарождению журналистики. В идеях просвещенного абсолютизма Екатерина руководствовалась трудами французских просветителей Вольтер Дидро.