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

16 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

32341. Понятие правовой семьи. Характеристика важнейших правовых семей. Место российской правовой системы в панораме национальных правовых систем современности 44 KB
  В зависимости от вышеназванных признаков выделяют следующие основные правовые семьи: 1 романогерманскую семью континентального права; 2 англосаксонскую семью общего права; 3 религиозную семью мусульманского и индусского права; 4 традиционную семью обычного права. Среди признаков романогерманской правовой семьи можно выделить следующие: единая иерархически построенная система источников писаного права доминирующее место в которой занимают нормативные акты законодательство; главная роль в формировании права отводится...
32342. Правовой статус личности в государстве. Понятие правового статуса. Содержание правового статуса. Правовой статус и фактическое положение граждан 38.5 KB
  Правовой статус личности в государстве. Понятие правового статуса. Содержание правового статуса. Правовой статус и фактическое положение граждан.
32343. Признаки, понятие и место юридических норм в правовой системе. Виды норм права 32.5 KB
  При этом разумеется нельзя ставить знак равенства между свойствами права в целом и свойствами ее элемента правовой нормы так же как например свойства и качества дома не могут быть сведены к качествам и свойствам элементов из которых он состоит. Свойства качества признаки правовой нормы определяются двумя началами: а принадлежностью правовых норм к нормам социальным; б юридической природой норм права. Принадлежность к социальным нормам обусловливает следующие качества юридической нормы: 1. Первый связан с самим механизмом действия...
32344. Структура правовой нормы. Понятие структуры. Элементы нормы и их характеристика. Соотношение элементов нормы со статьями нормативных актов при различных подходах к структуре нормы права 41.5 KB
  Структура правовой нормы. Элементы нормы и их характеристика. Соотношение элементов нормы со статьями нормативных актов при различных подходах к структуре нормы права. Вопрос о структуре юридической нормы это вопрос о ее строении.
32345. Понятие и виды форм (источников) права. Виды источников и их использование в правовых системах разных стран. Особенности системы источников российского права 33.5 KB
  Понятие и виды форм источников права. Особенности системы источников российского права. Одним из признаков права выступает его формальная определенность. Без этого нормы права не смогут выполнить свои задачи по регулированию общественных отношений.
32346. Нормативный акт как источник российского права. Понятие и виды нормативных актов. Особенности и место закона среди других нормативных актов 43 KB
  Нормативные акты издаются органами обладающими нормотворческой компетенцией в строго установленной форме. По юридической силе все нормативные акты подразделяются на две большие группы: законы и подзаконные акты.; 3 федеральные законы это акты текущего законодательства посвященные различным сторонам социальноэкономической политической и духовной жизни общества например Гражданский кодекс РФ Уголовный кодекс РФ Семейный кодекс РФ и пр. Виды подзаконных актов: 1 указы Президента РФ высшие по юридической силе подзаконные...
32347. Действие нормативных актов во времени, в пространстве и по кругу лиц. Обратная сила закона 34 KB
  Обратная сила закона. 6 Федерального закона О порядке опубликования и вступления в силу федеральных конституционных законов федеральных законов актов палат Федерального Собрания федеральные конституционные законы федеральные законы акты палат Федерального Собрания вступают в силу одновременно на всей территории РФ по истечении 10 дней после их официального опубликования если самими законами или актами палат не установлен другой порядок вступления их в силу. Если гражданин России совершил преступление на территории другого...
32348. Формирование права и правотворчество. Их понятие и соотношение. Разновидности правотворчества. Принципы правотворчества 48.5 KB
  Разновидности правотворчества. Принципы правотворчества. Соотношение правотворчества правообразования вообще достаточно объемный вопрос но так как целью данной работы не является рассмотрение всего процесса формирования права мы не будем останавливаться на этом слишком подробно отметив лишь некоторые моменты. Писаное право обретает юридическую жизнь в результате правотворчества которое представляет собой завершающую и конститутивную стадию формирования права.
32349. Стадии правотворчества. Их характеристика. Особенности законотворческой деятельности 40.5 KB
  Законодательная инициатива дополняется разработкой проекта предполагаемого нормативного акта. Обсуждение проекта осуществляется самим правотворческим органом а иногда выносится за его пределы вынесение проекта на всенародное обсуждение заключение специалистовэкспертов. Обсуждение завершается решением о вынесении проекта на рассмотрение в тот орган который будет принимать закон. Принятие и утверждение проекта нормативноправового акта компетентным государственным органом.