435 / 11_лаб
.docЛабораторная работа №11
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОРЯДКА ВЕЛИЧИНЫ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА
ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
Научиться определять порядок величины удельного заряда электрона по отклонению электронного пучка в магнитном поле.
ПРИБОРЫ:
1. Лампа 6Е5С
2. Катушка индуктивности (от школьного разборного трансформатора)
3. Реостат (30 Ом).
4. Амперметр Э515 (1-2 А.)
5. Вольтметр Э514 ( 300 В.)
6. Выпрямитель ВС-24 - (1)
7. Выпрямитель ВУП (2 и 3)
8. Соединительные провода.
ТЕОРИЯ МЕТОДА
Удельный заряд электрона , величина которого сохраняется при небольших скоростях движения электрона, является одной из важных констант физики.
Если электрон, движущийся с постоянной скоростью прямолинейно, подвергается действию магнитного поля, то его траектория искривляется. Форма траектории зависит от конфигурации магнитного поля и величины его индукции, скорости электрона и угла между направлением поля и направлением скорости электрона.
В данной работе определение порядка величины удельного заряда электрона производится по отклонению электронного пучка в магнитном поле катушки. Отклонение электронного пучка удобно наблюдать в лампе 6Е5С по свечению ее экрана. Устройство лампы схематично показано на рис.1.(вертикальный разрез лампы).
Рис.1
Вакуумный триод.
Катод – К, управляющая сетка – С и анод – А составляют триод. Индикаторная часть лампы образуется катодом К, коническим экраном Э (покрытым люминофором) и проволочным усиком У, расположенным между катодом и экраном и присоединенным к аноду.
Электроны движутся от катода к аноду радиально и вызывают свечение экрана. Усик вызывает изменение формы эквипотенциальных поверхностей и силовых линий (рис.2). Электроны не долетают до экрана, в результате чего за усиком в области Т-Т образуется тень, (т.е. экран не светится там, куда не долетели электроны) тем более широкая, чем ниже потенциал усика (по сравнению с потенциалом экрана). Для проведения опыта лампа помещается в катушку (от школьного трансформатора на 220В), которая питается постоянным током.
Рис. 2.
Форма тени на экране в отсутствие магнитного поля.
Под действием магнитного поля постоянного тока катушки траектория электронов искривляется. Увеличивая ток в катушке, и тем самым индукцию магнитного поля, можно при неизменном режиме лампы добиться того, чтобы радиус кривизны ro траектории электронов, достигших края экрана, (рис.3) был равен половине радиуса экрана. В этом случае часть пучка электронов скользит по краю экрана, край тени Т-Т изгибается так, как показано на рис.3.
Рис. 3.
Форма тени на экране при наличии магнитного поля.
Под действием силы Лоренца электрон в данном случае движется по окружности, так как сила Лоренца вызывает центростремительное ускорение. Магнитное поле катушки в нашем случае направлено вертикально (перпендикулярно плоскости рисунка), электроны движутся в плоскости рисунка, это дает возможность определить направление силы Лоренца и ее величину:
(1).
Из формулы (1) находим удельный заряд электрона :
(2),
где v – скорость электрона,
В – индукция магнитного поля,
r0 – радиус кривизны траектории электрона.
Скорость электрона можно найти, если известно значение ускоряющей разности потенциалов , действующей на электрон между катодом и анодом:
(3), отсюда
(4).
Индукцию магнитного поля на середине катушки можно найти по формуле:
(5),
где: R–средний радиус катушки,
I–ток катушки, N–число витков,
L – высота катушки.
Подставив выражения (4) и (5) в (2), получим:
(6),
где 0– магнитная постоянная, равная 410-7 Гн/м; ;
R–средний радиус катушки, равный 4,5см;
N=490 витков (при включении катушки на 220В);
r0-радиус кривизны траектории электронов, r0 = r/2, r = 1,2 cм.
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
1
Рис. 4. Схема I |
Рис. 5. Схема II |
2. Включить источник, дающий регулируемое анодное напряжение 2 (ВУП, 0 - 250В), поставить регулятор напряжения в среднее положение, подождать пока лампа нагреется, затем отрегулировать анодным напряжением тень на экране, чтобы она чётко выделялась. Источник переменного напряжения 3 начинаем работать при включении ВУПа в сеть
-
Включить источник тока 1 и, изменяя ток в катушке с помощью реостата, добиться, чтобы на экране лампы получилась такая картина, как показано на рис.3. Если несколько увеличить ток в катушке, то появится светлая полоска между краем тени и краем экрана, это говорит о том, что сила Лоренца велика, электроны возвращаются на катод.
Поскольку нужная картинка устанавливается «на глаз», предлагаемый метод не претендует на точность, определяется порядок величины е/m, погрешности не оцениваются. Ценность метода в его наглядности.
4. Снять показания вольтметра и амперметра. Анодное напряжение выше было обозначено – ускоряющая разность потенциалов.
5. Опыт повторить 3 раза, взяв другие анодные напряжения на лампе, к ним подобрать соответствующие значения силы тока.
-
Измерить длину катушки. Радиус кривизны края экрана взять равным 1,2 см. Все данные внести в таблицу.
|
|
I |
R |
N |
L |
r0 |
e/m |
|
(B) |
(A) |
(м) |
- |
(м) |
(м) |
(Кл/кг) |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
ср |
|
|
|
|
|
|
|
Заштрихованные клетки таблицы не заполняются.
7. По формуле (6) вычислить удельный заряд электрона. Подставив наименование всех величин в формулу, получить наименование удельного заряда в СИ. По результатам трех опытов найти (е/m)ср.
8. Сравнить полученные результаты с табличным значением удельного заряда электрона
Кл/кг.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
-
Уметь выводить формулы (5) и (6).
-
Уметь выводить формулы радиуса кривизны траектории, по которой заряженная частица движется в магнитном поле, и периода обращения частицы по окружности. Рассмотреть случаи, когда скорость частицы перпендикулярна направлению вектора индукции магнитного поля и не перпендикулярна.
-
Знать примеры устройств, в основе действия которых лежит взаимодействие движущейся заряженной частицы с магнитным полем.
-
Знать устройство и принцип действия лампы 6Е5С.
-
Знать правило определения направления силы Лоренца.