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

71103. Специфика и сущность философского знания 25.64 KB
  Основные типы мировоззрения: Миф это самая древняя форма мировоззрения на уровне мироощущения и миропонимания которая характеризуется символическим фантастическо-образным целостным представлением о природе обществе и человеке.
71105. Средневековая философия (IV-XIV вв.) 32.5 KB
  Квинт Септимий Тертуллиан из Карфагена (160-240) – Платона, Аристотеля, Эпикура, Гераклита, Эмпедокла и других мыслителей античности Тертуллиан считает “патриархами еретиков”. Следовательно, все кто ищет истину на путях, пройденных античной философией, попадает...
71106. Философия эпохи Возрождения (XIV-XVI вв.) 43.27 KB
  Философия эпохи Возрождения – совокупность философских направлений, возникших и развивавшихся в Европе в XIV-XVI вв., которые объединяли антицерковная и антисхоластическая направленность, устремленность к человеку, вера в его великий физический и духовный потенциал...
71107. Философия Нового времени (XVII-XVIII вв.) 43.37 KB
  Развернутая критика средневековой схоластики – если в средние века вера возвышается над разумом, то теперь речь идет о развитии разума, независимо от веры. В таком виде разум оказывается уже орудием не богословов, а ученых.
71108. Философия эпохи Просвещения (18 век, Франция) 23.43 KB
  Основные черты философии: Радикализм - радикальная критика того состояния, в котором находилось общественная жизнь и мысль Франции 18 века. Просвещение – задача просветить народные массы, очистить их сознание от предрассудков, которые мешали освободиться от устаревших феодальных порядков.
71109. Немецкая классическая философия. Основные черты классической философии 61.34 KB
  Термин немецкая классическая философия был введен Фридрихом Энгельсом в его поздней работе Людвиг Фейербах и конец классической немецкой философии, опубликованной в 1886 году
71110. Философия марксизма 21.78 KB
  Материалистическое понимание истории. Материалистическое понимание истории. Поэтому люди – продукты истории а не Бога и не Природы. В этом положении уже содержится материалистическое понимание истории.
71111. Общество, семья, личность 39.03 KB
  Слово Семья восходит к корню сем имеющему отношение к семени и продолжению рода то есть рождению и воспитанию детей которое традиционно считается основным предназначением создания семьи. Иногда для обозначения семьи или родословной используется латинское слово фамилия...