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

2592. Спілкування як інструмент професійної діяльності 118.5 KB
  Поняття професійна мова і ділова мова. Спілкування і комунікація. Функції спілкування. Типи і форми професійного спілкування. Поняття про ділове спілкування. Основні закони спілкування. Поняття про ораторську (риторичну) компет...
2593. Науковий стиль і його засоби у професійному спілкуванні 246 KB
  Науковий стиль і його засоби у професійному спілкуванні. Становлення і розвиток наукового стилю української мови. Особливості наукового тексту і професійного наукового викладу думки. Мовні засоби наукового стилю...
2594. Основи інформатики. Теорії інформаційних систем та обчислювальної техніки 188.25 KB
  Предмет та основні поняття інформатики. Інформаційна система. Інформаційні технології. Кодування даних. Системи числення. Позиційні системи числення. Архітектура обчислювальної системи. Класифікація комп'ютерів. Архітектура комп'ютера
2595. Навчальна робота в аудиторії. Лекційні заняння 49.67 KB
  Лекція — це один із найважливіших різновидів навчальних занять. Слухання лекції  Перешкоди слуханнюлекції  Конспектування лекції. Труднощі конспектування. Скорочення інформації при конспектуванні  Недоцільніс...
2596. Юные знатоки физики 30.35 KB
  Юные знатоки физики Цели: Воспитательные: Привитие навыков культурного общения. Выявление способностей детей. Развивающие: Формирование умений делать опыты и пользоваться измерительными приборами, Развивать умения творчески...
2597. Позакласне (додаткове) читання світової літератури в школі 25.07 KB
  Сутність поняття позакласне читання. Значення позакласного читання учнів. Принципи організації позакласного читання. Принципи добору творів для позакласного читання. Організація системи позакласного читання. Методичні прийоми орг...
2598. Електричний струм в напівпровідниках 147.83 KB
  Характеристика електропровідності. Провідність речовин. Власна і домішкова провідність напівпровідників. Електропровідність речовин характеризується наявністю великої кількості вільних зарядів та їх рухливістю. В провідниках є вели...
2599. Психологическая характеристика подросткового возраста 210.9 KB
  Психологическая характеристика подросткового возраста. Особенности межличностных отношений в подростковом возрасте Подростковый возраст 10-16 лет. Четких границ нет (13-16 мальчики и 12-15 девочки). Относится к числу переходных и критических периодо...
2600. Моя професія - бухгалтер. Професійна орієнтація 190 KB
  Професійна орієнтація — система організації та проведення навчально-виховної роботи, спрямованої на засвоєння студентами необхідних знань про соціально-економічні і психофізіологічні умови правильного вибору професії, формування у них уміння аналізувати вимоги професії до психологічної структури особистості