Эл.магнетизм_ метод.указ. к лаб

ность катода и анода, краевые эффекты, наличие остаточного газа в лампе, падение напряжения вдоль катода и др. Все же перелом кривой остается достаточно резким и может быть использован для определения удельного заряда электрона. Величина индукции магнитного поля соленоида определяется по формуле:

где µ0 = 4π·10-7Гн/м – магнитная постоянная; L – длина соленоида; D – диаметр соленоида; N – число витков соленоида.

Удельный заряд электрона е связан с критическим значением магнитной m

где Uа – анодное напряжение, rа – радиус анода.

Порядок выполнения работы

1.Включить установку, дать ей прогреться в течение 5 минут.

2.Заполнить таблицу с данными о приборах, используемых в работе.

3.Установить анодное напряжение Uа = 50 В.

4.Изменять значения тока в соленоиде iC в пределах от 2,2 А до 0,4 А с интервалом 0,2 А и с помощью миллиамперметра определять соответствующие

значения анодного тока ia (цена деления шкалы миллиамперметра 0,1 mА).

Результаты измерений записать в таблицу 5.2.

5.Установить анодное напряжение Ua = 40 В.

6.Повторить пункт 3, изменяя значения тока в соленоиде iC в пределах от 2,2

Адо 0,6 А с тем же интервалом. Результаты измерений также записать в таблицу 5.2.

7.Повторить пункт 3 для анодного напряжения Ua =30 В, изменяя ic в пределах от 2,2 А до 0,8 А. Соответствующие результаты записать в таблицу 5.2.

8.Используя полученные результаты, построить три графика зависимости

анодного тока ia от тока в соленоиде iC.

9.Найти на графике (рис. 5.12) точку перегиба (А) и провести к ней касательную до пересечения с осью токов iC. Отрезок 0iк соответствует величине

11.Определить величину удельного заряда электрона (е/m) по формуле (5.13) для всех значений Вк. Результаты записать в таблицу 5.3.

12.Определить среднее значение (е/m)ср.

13.Вычислить табличное значение удельного заряда.

14.Сравнить экспериментально полученное и табличное значения.

15.Сделать вывод о проделанной работе.

Та б л и ц а 5.2

Контрольные вопросы

1.Что такое удельный заряд частицы?

2.Какая сила действует со стороны магнитного поля на движущуюся заряженную частицу? Как она направлена?

3.Как движется заряженная частица в магнитном поле? Рассмотреть случаи:

а) частица влетает вдоль линий поля, б) частица влетает перпендикулярно линиям поля, в) частица влетает под произвольным углом к линиям поля.

4.Опишите метод, применяемый в данной работе. Какие еще существуют методы определения удельного заряда?

5.Как работают ускорители заряженных частиц.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 13. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА

Цель работы: определить удельный заряд электрона.

83

Приборы и принадлежности: осциллограф, два соленоида, амперметр, лабораторный автотрансформатор.

Методика эксперимента

На электрический заряд q, движущийся со скоростью V в магнитном поле с индукцией B, действует сила Лоренца

FЛ qVB sin ,

где α – наименьший угол между векторами V и B.

Поскольку сила Лоренца FЛ всегда направлена перпендикулярно скорости V, то сообщаемое силой ускорение будет нормальным к скорости, а траекторией движения частицы с массой m и зарядом q будет окружность радиусом R, лежащая в плоскости, перпендикулярной вектору V:

FЛ qVB sin man V 2 , R

откуда радиус кривизны траектории:

R m V . q B sin

Если заряд q проходит ускоряющую разность потенциалов ∆φ, то электрическое поле совершает работу ∆А = q · ∆φ, которая идет на увеличение кинетической энергии частицы:

A T m V 2 q . 2

При этом первоначально покоящая частица приобретает скорость:

V 2q .

m

Действие силы Лоренца на заряженную частицу в магнитном поле используется в устройстве осциллографа. Осциллографом называется прибор, предназначенный для изучения формы временных зависимостей электрического тока или напряжения.

Основой всякого осциллографа является электронно-лучевая трубка

(рис.5.13).

Электронно-лучевая трубка состоит из стеклянной колбы 1, в которой создан глубокий вакуум; массивного тугоплавкого катода 2, который разогре-

Рис. 5.13. Электронно-лучевая трубка осциллографа

84

вается до высокой температуры электрическим током, протекающим по специальной накальной спирали внутри катода. Электроны, вылетающие из раскаленного катода, проходя ускоряющее электрическое поле между катодом 2 и

ка попадают на экран 8, покрытый люминофором, который светится в том месте, где на него падают электроны Узкий пучок электронов получается за счет фокусировки в специально подобранном поле фокусирующего электрода 4. Интенсивность электронного пучка управляется напряжением на управляющем электроде 3. Изменением знака и величины напряжения на обкладках конденсаторов 6 и 7 называются горизонтали (Х) и вертикальным (Y) отклоняющими пластинами, соответственно.

Для наблюдения формы изменяющегося во времени напряжения к вертикально отклоняющим пластинам 7, горизонтально отклоняющим пластинам 8 прикладывают линейно изменяющееся во времени напряжение, называемое напряжением развертки. При этом на экране высвечивается кривая, являющаяся функцией напряжения от времени.

Определение удельного заряда электрона выполняется с помощью установки, электрическая схема которой представлена на рис. 5.14.

Рис. 5.14. Схема установки: VL – электроннолучевая трубка осциллографа; Э – экран защитный; L1, L2 – соленоиды; Т – лабораторный автотрансформатор; ИП – источник постоянного напряжения на 740В; R – реостат; А – амперметр на 2А

На участке электроннолучевой трубки VL, незащищенной экраном от действия внешних переменных магнитных и электрических полей; приложено перпендикулярно оси (С–С) распространения пучка электронов однородное переменное магнитное поле B, создаваемое двумя соленоидами L1 и L2 (рис. 5.15).

85

с

Рис. 5.15. Соленоиды L1 и L2

Индукция магнитного поля В, создаваемая в точке пересечения осей “с” и “е” при протекании по последовательно соединенным соленоидам L1 и L2 переменного тока I = Im cosωt, определяется соотношением:

B Bm cost 2 0 (cos1 cos2 ) Im cost , 2

где μ0 = 4 π10-7 Гн/м; N – число витков соленоида. Электрон за время пролета пространства “а” (∆t = a/V) отклоняется от прямолинейного направления в магнитном поле на высоту h, движется по окружности радиусом R (рис. 5.16). Угловое смещение при этом составляет

где Iq Im2 – действующее значение тока, а:

86

Амплитуда смещения луча hm от центра экрана является нелинейной функцией действующего значения тока, протекающего через соленоиды Iq

(рис. 5.17) hm hm (Iq ) .

Первая производная от сме- 2hm щения hm по току представляет собой касательную к функции hm (Iq), тангенс угла наклона которой для

точки в начале координат равен

Порядок выполнения работы

1.Включить установку и осциллограф в сеть 220В, дать ему прогреться 5 минут. Установить максимальную частоту развертки. Ручками «смещение» по вертикали и горизонтали установить линию посередине экрана.

2.Установить движение автотрансформатора на “0” и включить его в сеть

220 В.

3.Увеличить ток через соленоиды от 0 до 1,3 А с шагом 0,1 А измерить ширину линии на осциллографе 2hm и занести данные в таблицу 5.4.

4.Построить на миллиметровке зависимость hm hm (I g ) , найти тангенс угла наклона касательной к кривой в начале координат.

5.По формулам (5.14) и (5.15) определить величину удельного заряда электрона е/m.

6.Оценить погрешность в определении удельного заряда электрона.

87

Контрольные вопросы

1.Чему равна по величине и направлению сила Лоренца?

2.Какова траектория движущейся заряженной частицы, движущейся: 1) по на-

правлению магнитного поля; 2) перпендикулярно магнитному полю; 3) под углом 30о к магнитному полю.

3.Как найти абсолютный заряд электрона, зная его удельный заряд?

4.Вывести расчетную формулу для определения удельного заряда электрона.

5.Опишите метод, применяемый в данной работе. Какие еще существуют методы определения удельного заряда?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14. ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ВЗАИМНОЙ ИНДУКЦИИ

Цель работы: изучить явление взаимной индукции двух коаксиально расположенных катушек.

Приборы и принадлежности: катушки индуктивности L1 и L2, генератор звуковой частоты PQ, вольтметр, шток со шкалой показывающий взаимное расположение катушек.

Методика и техника эксперимента

Явление возникновения ЭДС в одном из контуров при изменении силы тока в другом называется взаимной индукцией. Рассмотрим два неподвижных контура 1 и 2, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Если по

ной индукции зависит от взаимного расположения контуров, их формы, а также магнитных свойств окружающей среды. Точно также, если в контуре 2 течет ток I2, он создает магнитный поток Ф21 через контур 1:

Ф12 = L12·I2

Взаимные индуктивности контуров всегда равны: L12 = L21.

Так как ток I1 изменяется, то в контуре 2 индуцируется ЭДС ε2, которая по закону Фарадея пропорциональна скорости изменения магнитного потока Ф21 через этот контур:

88

Аналогично, при изменении тока в контуре 2 в первом контуре индуцируется ЭДС, которая равна:

Из приведенных формул следует, что электродвижущая сила взаимной индукции, возникающая в контуре, пропорциональна скорости изменения тока в соседнем контуре и зависит от взаимной индуктивности этих контуров.

Очевидно, что взаимная индуктивность двух контуров равна магнитному потоку, связанному с одним из контуров, когда в другом контуре идет ток, равный единице:

Ф

L21 = I 2 .

1

Взаимные индуктивности L12 и L21 измеряются в генри (Гн).

Вданной работе исследуется коэффициент взаимной индукции катушек 1

и2. Короткая катушка 2 надевается на длинную катушку 1 и может перемещаться вдоль ее оси. Питание катушки 1 осуществляется от генератора звуковой частоты PQ. Напряжение U, с генератора подается на катушку 1 через сопротивление R и измеряется с помощью вольтметра V. В этом случае ток через катушку 1 можно определить по формуле:

Изучение явления взаимной индукции осуществляется с помощью схемы, представленной на рисунке (5.18):

PQ – звуковой генератор; V – вольтметр; L1 и L2 – катушки индуктивности; Ш – шток со шкалой, показывающий взаимное расположение катушек.

89