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

12915. НЕМАЄ ДЛЯ НАС КРАЩОЇ ЗЕМЛІ, НІЖ НАША УКРАЇНА 563.5 KB
  Виховна година на тему: немає для нас кращої землі ніж наша Україна Мета. Виховувати почуття любові до Батьківщини почуття патріотизму та гордості за український рід. Обладнання. Вишиті рушники українське народне вбрання краєвиди різних регіонів України зо
12916. Действия пожарных спасателей по тушению пожаров в зданиях повышенной этажности 2.3 MB
  Изучить оперативно-тактическую характеристику зданий повышенной этажности. Возможную обстановку при пожарах. Разведку пожара. Спасение людей при пожаре. Ознакомиться с основными схемами подачи воды.
12917. Живи моя Держава, Україно 417 KB
  Виховна година на тему: Живи моя Держава Україно Мукачево 2007 Мета. Виховувати почуття любові до Батьківщини почуття патріотизму та гордості за приналежність до великого народу. Обладнання. Вишиті рушники українське народ...
12918. Виховні заходи. Виховні години 205 KB
  Зміст Виховна година Подорож до країни Ввічливості Виховна година Подорож до лісової аптеки. Виховна година Дотримуйся правил дорожнього руху. Презентація 1 класу Будьмо знайомі. Виховна година Червона калина – символ України. Родинне с...
12919. Дружба починається з посмішки 39 KB
  Виховне заняття. Тема. Дружба починається з посмішки. Мета: розкрити зміст понять дружба дійсний друг; показати його відмінність від понять приятель і знайомий; прищепити учням повагу до цінностей дружби; сприяти розвиткові критичного ставлення до себе і с
12920. Новий рік іде 44 KB
  Тема. Новий рік іде Мета: поглибити знання учнів про традиції та святкування Нового року в Україні інших країнах Європи; розвивати увагу мислення; виховувати любов і повагу до традицій свого народу та інших країн. Обладнання: атлас світу прапорці держав ялинкові прик...
12921. Цінність людини – в її унікальності 50 KB
  План – конспект виховної справи В 7А класі новоселицької ЗОШ І – ІІІ ст. проведеної Томишинець Ганною Михайлівною студенткою 5 курсу фізичного факультету. Тема: Цінність людини – в її унікальності Мета: довести учням ідею неповторності й унікальності кожної особи
12922. Хто людям добра бажає, той і собі має 51 KB
  Виховна година. Хто людям добра бажає той і собі має Мета: продовжити розмову про людські достоїнства і вади; допомогти учням зробити висновок що добро твориться просто ні за так І. Драч; викликати в них бажання творити добро й уникати злих вчинків. Обладнанн...
12923. Алкоголь і злочин. Чи можна між ними поставити знак рівності 51 KB
  Виховна година Алкоголь і злочин. Чи можна між ними поставити знак рівності Мета: узагальнити та систематизувати знання учнів про негативний вплив алкоголю на організм людини на психіку; виховувати негативне ставлення особистості до алкоголю та відповідальність за