50281

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА

Лабораторная работа

Физика

Величина удельного заряда может быть измерена различными методами. В данной работе используется «метод магнетрона», в котором используется отклонение магнитным полем электрона, движущегося ускоренно под действием электрического поля, перпендикулярного магнитному. На заряженную частицу, движущуюся со скоростью v в однородном (одинаковом во всех точках пространства) магнитном поле с индукцией В, действует сила Лоренца...

Русский

2014-01-20

160 KB

19 чел.

Лабораторная работа 4-03

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА

  1.  Цель работы: определение удельного заряда электрона по его движению в скрещенных магнитном и электрическом полях..
  2.  Теоретические основы. Характер движения в траектории заряженной частицы в электростатическом и магнитном полях зависит не от заряда q или массы т в отдельности, а лишь от отношения q/m. Величина q/m называется удельным зарядом данной частицы. Чем меньше q/m (т.е. чем меньше заряд и больше масса частицы), тем меньше изменяется по величине и направлению скорость частицы в данном поле. Измеряя скорости и траектории частиц, движущихся в электрическом и магнитном полях, можно определить величину и знак их удельного заряда. Если известен заряд частицы, то, измерив q/m, можно найти ее массу и определить, что это за частица. Этот принцип лежит в основе масс-спектрометрического анализа.

Величина удельного заряда может быть измерена различными методами. В данной работе используется «метод магнетрона», в котором используется отклонение магнитным полем электрона, движущегося ускоренно под действием электрического поля, перпендикулярного магнитному. На заряженную частицу, движущуюся со скоростью v в однородном (одинаковом во всех точках пространства) магнитном поле с индукцией В, действует сила Лоренца:

                   .      (1)

Величина этой силы зависит от угла β между векторами и и равна           .   (2)

В случае, когда , сила Лоренца равна  .      (3)

Взаимная ориентация векторов , и показала для случая положительного заряда (q > 0) на рис. 1а, а для отрицательного (q < 0) – на рис. 1б.

При движении частицы в постоянном (не зависящем от времени) магнитном поле скорость ее движения может изменяться лишь по направлению, так как сила Лоренца перпендикулярна скорости и работы не совершает. Изменение скорости по величине или изменение кинетической энергии обусловлено действием электрического поля. Поэтому можно записать, что изменение кинетической энергии равно:              ,    (4)

где U – разность потенциалов электрического поля,  – начальная скорость электронов. Для случая = 0 получаем

    или .     (5)

Магнетрон (рис. 2) представляет собой электровакуумный диод с цилиндрической конфигурацией электродов, помещенный в магнитное поле соленоида. Электрическое поле между электродами К и А служит для создания анодного тока, а магнитное поле соленоида С – для изменения величины этого тока. В отсутствие магнитного поля (В = 0) электроны, вылетающие из подогреваемого катода К, движутся к аноду А прямо по радиусам действия электрического поля, обусловленного разностью потенциалов U, приложенной между анодом и катодом (рис. 3а). При включении постоянного тока IC в соленоиде его магнитное поле, направленное перпендикулярно скорости (рис. 2), начнет действовать на электроны и отклонять их. Под действием отклоняющей силы Лоренца траектория электронов станет криволинейной (рис. 3б).


С ростом тока
IC в соленоиде, а значит и с ростом магнитного поля В, траектории электронов все больше искривляются под действием возрастающей силы Лоренца. При некотором критическом значении IC = IC кр (B = Bкр) траектории искривляются так, что касаются только поверхности анода (рис. 3в). При IC > IC кр (B > Bкр) радиус кривизны траектории уменьшается, и электроны не достигают анода (рис. 3г). Анодный ток должен прекратиться. Такая зависимость анодного тока от тока соленоида (или индукции магнитного поля, созданного током соленоида) показана на рис. 4 штриховой линией. Однако реальная зависимость имеет не ступенчатый, а плавный спад (сплошная линия на рис. 4). Это связано с тем, что электроны имеют различные скорости и при одном и том же значении В (значении IC) на них действуют разные силы Лоренца, следовательно, они имеют различные траектории. Если считать, что соленоид создает однородное магнитное поле, перпендикулярное скорости, то траектории электронов в таком поле будут представлять собой окружности с различными радиусами R. Сила Лоренца является центростремительной, поэтому можно записать

     ,      (6)

откуда       .      (7)

Приравняв (7) и (5), получим                .      (8)

Предположим, что скорости всех электронов одинаковы. Тогда критическое значение тока соленоида (критическое значение индукции магнитного поля) для всех электронов будет одинаковым. При этом траектории всех электронов будут представлять собой окружности с диаметром, равным расстоянию между катодом и анодом 2R = ra. Если известно число витков соленоида N, то индукцию магнитного поля можно вычислить по величине питающего соленоид постоянного тока:

        ,      (9)

где l – длина соленоида, μ0 – магнитная постоянная. Следовательно, удельный заряд электрона можно рассчитать по формуле

      .     (10)

Таким образом, характерная особенность метода заключается в том, что изменением магнитного поля достигается наперед заданная траектория электронов, при которой они не могут попасть на анод лампы, хотя на них действует электрическое поле. Следовательно, опыт сводится к снятию так называемой сбросовой характеристики лампы, т.е. к снятию зависимости Ia от IC (или В). Резкий спад этой кривой соответствует искомым критическим условиям работы магнетрона.

3. Экспериментальная часть.

3.1. Краткое описание экспериментальной установки и оборудования. На рис. 4 приведен внешний вид и схема экспериментальной установки для определения удельного заряда электрона.

3.2. Методика проведения измерений.

  1.  включить установку;
  2.  выполнить начальную подготовку установки: переключатель диапазона измерений амперметра 4 установить в положение 10А, а переключатель амперметра 5 – в положение 200A; ручку потенциометра 6 повернуть в крайнее левое положение, при котором значение силы тока в цепи соленоида (показания амперметра 4) будет минимальным; включить накал лампы с помощью кнопки 3 (должна загореться красная лампочка над кнопкой);
  3.  увеличивая ток в соленоиде реостатом 6 снять зависимость анодного тока  (показания амперметра 5) от величины тока соленоида . Ток соленоида  изменять с шагом 0,1A. Значения ,  занести в табл. 1;
  4.  после завершения опыта нажать кнопку 3 и выключить накал.

Таблица 1

, мА

, мкА

Параметры установки: радиус анода rа = 3мм, плотность витков катушки соленоида = 6000 витков/м, длина катушки соленоида.

 3.3. Обработка результатов эксперимента.

3.3.1. Построить по данным табл. 1 график зависимости .

3.3.2. Определить значение критического тока в соленоиде L, соответствующее точке на графике , где анодный ток уменьшается наиболее резко.

3.3.3. Вычислить по формуле (4) удельный заряд электрона.

3.3.4. По отношению к табличному значению вычислить относительную ошибку измерения величины e/m.


Здесь R1 – реостат, мА – миллиамперметр, L – соленоид, D – диод, мкА – микроамперметр, V – вольтметр, R2 – потенциометр.

Рис. 4.

 

 


D

S

E2

E1

E2

E1

ТОЧНО

ГРУБО

ЭЛЕКТРОНАЯ ЗАЩИТА

1,6 – 15V

ИСТОЧНИК

ПИТАНИЯ

марс

СЕТЬ

V

ТОЧНО

ГРУБО

ЭЛЕКТРОНАЯ ЗАЩИТА

1,6 – 15V

ИСТОЧНИК

ПИТАНИЯ

марс

СЕТЬ

V

НАКАЛ

ВКЛ

РА2

РА1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА

ЭЛЕКТРОНА

А

R1

L

мкА

R2

V

D

K

UK

Ua

б

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

A

K

EMBED Equation.3  

a

г

A

K

A

K

EMBED Equation.3  

в

ra

A

EMBED Equation.3  

K

EMBED Equation.3  

Bкр (Ic кр)

теоретическая

экспериментальная

Рис. 4.

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

Рис. 3

6

1

4

5

2

3

 EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

Рис. 1.

EMBED Equation.3  

а)

б)

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

 EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

A

K

U

C

Рис. 2.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

30098. Роль наследственности в паталогии речи 30.74 KB
  Роль наследственности в паталогии речи: Речь как одна из важнейших функций головного мозга не является врожденной как некоторые элементарные формы нервной деятельности а развивается по законам условных рефлексов. Нервные импульсы из области речедвигательного анализатора через черепномозговые нервы приводят в движение органы речи. Итак для нормальной речи и ее развития у ребенка необходимо: а нормальное строение и функция центральной нервной системы и речевых центров; б нормальное состояние органов голосо и речеобразования гортань...
30099. Психогенетические исследования когнитивных фнкций 15.04 KB
  Наименьший коэффициент наследуемости в изменчивости оценок дивергентного мышления способности чка генерировать новые идеи альтернативные решения проблем и т. способности близкой к понятию творческости креативности. Максимальное влияние генотипа в вербальном субтесте способности к логическому рассуждению в перцептивной скорости и пространственных способностях. когнитивный стиль свидетельствующий о способности чка преодолевать контекст и очевидно являющийся одним из показателей психологической дифференцированности.
30100. Психогенетические исследования темперамента 21.25 KB
  Психогенетические исследования темперамента. Черты темперамента определяют не столько то что человек делает сколько как он это делает т. Концепции темперамента весьма разнообразны. Для психогенетического исследования существенны несколько моментов: 1 В разных возрастах компонентный состав темперамента оказывается разным поскольку некоторые особенности поведения характерные для маленьких детей н р регулярность отправления физиологических функций длительность сна и т.
30101. ТИПЫ ЭЭГ И ИХ НАСЛЕДСТВЕННАЯ ОБУСЛОВЛЕННОСТЬ 21.29 KB
  ТИПЫ ЭЭГ И ИХ НАСЛЕДСТВЕННАЯ ОБУСЛОВЛЕННОСТЬ Наличие устойчивых индивидуальных особенностей ЭЭГ позволяет ставить вопрос о выделении определенных типов ЭЭГ и вслед за этим вопрос о роли факторов генотипа в происхождении данных типов. Для выяснения генетических основ межиндивидуальной вариативности ЭЭГ в этих исследованиях использовались близнецовый генеалогический и популяционный методы. На больших контингентах испытуемых авторы выявили 6 паттернов ЭЭГ в отношении которых в генеалогических исследованиях более 200 семей удалось...
30102. Генотип- средовые соотношения в изменчивости показателей вегетативных реакций 12.87 KB
  Генотип средовые соотношения в изменчивости показателей вегетативных реакций: Традиционным объектом психофизиологических исследований являются показатели функционирования физиологических систем организма сердечнососудистой дыхательной мышечной выделительной которые закономерно изменяются при психической деятельности. Как правило показатели активности этих систем отличаются индивидуальной специфичностью и достаточно устойчивой воспроизводимостью при повторных регистрациях в одинаковых условиях что дает основание ставить вопрос о роли...
30103. Роль наследственности и среды в формировании асимметрии 25.99 KB
  В соответствии с предположением о важной роли факторов среды и культуры установление одной ведущей руки определяется образом жизни общественными традициями и системой воспитания. До недавнего времени считалось что леворукие люди составляют в среднем 5 населения. В то же время дети выходцев из восточных стран которые обучаются в США где в школах нет жёсткого требования использования правой руки предпочитают левую руку чаще 65. В Японии 72 школьников не праворукие а если считать леворукими и детей переученных на праворукость то...
30104. Генетика – наука о закономерностях наследственности и изменчивсти 29.79 KB
  Эра ДНК: 1944 Освальд Эвери Колин Маклеод и Маклин Маккарти изолируют ДНК тогда его называли трансформирующим началом trnsforming principle. 1950 Эрвин Чаргафф показывает что хотя доля нуклеотидов в ДНК не постоянна наблюдаются определённые закономерности например что количество аденина равно количеству тимина T Правило Чаргаффа. 1952 Эксперимент Херши Чейз доказывает что генетическая информация бактериофагов и всех других организмов содержится в ДНК. 1953 Структура ДНК двойная спираль расшифрована Джеймсом...
30105. Методы исследования в генетике 19.37 KB
  Впервые этот метод был предложен Ф. Это самый давний метод. Особенно эффективен этот метод при исследовании генных мутаций.
30106. Роль ядра в наследственности 15.58 KB
  Роль ядра в наследственности: Итак в ядре клеток заключены хромосомы которые содержат ДНК хранилище наследственной информации. Учение о хромосомах: Хромосома это нитевидная структура клеточного ядра несущая генетическую информацию в виде генов которая становится видной при делении клетки. Хромосома состоит из двух длинных полинуклеатидных цепей образующих молекулу ДНК. Хромосомы хорошо окрашиваются основными красителя ми в процессе деления клетки.