Экспериментальная часть

Установка № 1 (новая)

Приборы и оборудование: модуль “Заряд электрона” (ФПЭ-03), источник питания (ИП), амперметр (РА). Функциональная схема лабораторной установки представлена на рис. 17.6.

Экспериментальная установка.

О сновным элементом экспериментальной установки, содержащим соленоид и двухэлектродную лампу, является кассета ФПЭ–03 “Заряд электрона”, к которой подключается источник питания ИП и измерительный прибор Щ4313, как это показано на рис. 17.6. Катушка-соленоид закреплена между панелями, внутри соленоида соосно с ним установлена электровакуумная лампа 6Ж32П (рис.17.7).

Порядок выполнения работы

1. Подать напряжение на установку, включив источник ИП.

2. Установить анодное напряжение U_a=50 В по вольтметру ИП.

3. Изменяя ток в соленоиде от минимального (начального) значения до максимального через 0.1 А при постоянном анодном напряжении, снять сбросовую характеристику, то есть зависимость анодного тока I_a от тока в соленоиде I_cол. (рис. 17.8). Значения анодного тока I_a, определяемые по прибору РА, и значения тока в соленоиде I_cол., определяемые по показаниям амперметра ИП, занести в табл. 17.1.

Таблица 17.1

Ua= 50 В		Ua= 100 В		Ua= 120 В
Icол., А	Ia, мА	Icол., А	Ia, мА	Icол., А	Ia, мА

4. П овторить пункты 2 и 3 при двух других значениях анодного напряжения (100 В и 120 В). Результаты измерений занести в табл. 17.1.

5. Для каждого значения анодного напряжения построить сбросовую характеристику, откладывая по оси ординат значения анодного тока, а по оси абсцисс - значения тока в соленоиде. Для нахождения критического значения тока в соленоиде I_кр. провести до взаимного пересечения касательную к точке перегиба сбросовой характеристики (на участке до спада) и прямую, соответствующую изменению минимальных значений анодного тока (как показано на рис. 17.8). Занести полученные значения I_кр. в табл. 17.2.

6. Индукция магнитного поля соленоида, длина L которого соизмерима с диаметром D:

, (17.13)

где Гн/м – магнитная постоянная; – число витков соленоида на единицу его длины. Для каждого критического значения тока в соленоиде рассчитать по формуле (17.13) индукцию магнитного поля. Длина соленоида L=167 мм; диаметр намотки D=85 мм; число витков соленоида N=2700.

7. Вычислить удельный заряд электрона e/m по формуле (17.12) для каждого значения критического поля в соленоиде и определить его среднее значение (e/m)_ср. Радиус анода r_a=1 мм; радиус катода r_к=0.1 мм.

8. Вычислить погрешность полученной величины (e/m).

9. Сравнить полученное в эксперименте значение удельного заряда электрона с табличным.

10. Сделать выводы.

Таблица 17.2

Ua, В	Iкр., А	Bкр., Тл	(e/m), Кл/кг	(e/m)ср., Кл/кг	Δ(e/m), Кл/кг	(e/m)табл., Кл/кг
50
100
120

Установка № 2 (старая)

Приборы и оборудование: ис­точ­ник пи­та­ния, лам­па 6Е5С, соленоид, амперметр, двой­ной ключ, вольт­метр, рео­стат, пе­ре­мен­ное со­про­тив­ле­ние.

Рис. 17.9.

При определении удельного заряда электрона на данной установке критическое значение тока соленоида I_кр оп­ре­де­ля­ет­ся пу­тем ви­зу­аль­но­го наблюде­ния све­че­ния ин­ди­ка­то­ра 6Е5С при из­ме­няю­щем­ся то­ке че­рез со­ле­но­ид. На рис. 17.9 по­ка­за­но с­хе­ма­ти­че­ское уст­рой­ст­во ин­ди­ка­то­ра 6Е5С, ко­торый со­сто­ит из ка­то­да 1 и эк­ра­на-ано­да 2. Эк­ран-анод вы­пол­нен в ви­де усе­чен­но­го сни­зу ко­ну­са. На внутреннюю по­верх­ность ко­ну­са на­не­се­но ве­ще­ст­во, ко­то­рое све­тит­ся под дей­ст­ви­ем элек­трон­ной бом­бар­ди­ров­ки зе­ле­ным све­том. Ко­гда ток в со­ле­нои­де от­сут­ст­ву­ет, элек­тро­ны дви­жут­ся от ка­то­да к ано­ду по пря­мым ли­ни­ям и све­тит­ся весь эк­ран рав­но­мер­но. С уве­ли­че­ни­ем то­ка в соленои­де уве­ли­чи­ва­ет­ся си­ла Ло­рен­ца, дей­ст­вую­щая на элек­тро­ны, и на эк­ра­не ин­ди­ка­то­ра на­блю­да­ет­ся ис­крив­ле­ние тра­ек­то­рии элек­тро­нов. При дос­ти­же­нии кри­ти­че­ско­го зна­че­ния то­ка в со­ле­нои­де I_кр элек­тро­ны на­чи­на­ют не до­ле­тать до эк­ра­на в его наи­бо­лее уда­лен­ной от ка­то­да час­ти, и эта об­ласть эк­ра­на пре­кра­ща­ет све­тить­ся. Об­ра­зу­ет­ся тем­ная (не­све­тя­щая­ся) ок­руж­ность ме­ж­ду кра­ем эк­ра­на и све­тя­щим­ся по­лем эк­ра­на.

Ин­дук­цию маг­нит­но­го по­ля внут­ри со­ле­нои­да для данной установки мож­но рас­счи­тать по фор­му­ле:

, (17.14)

так как , где I – сила тока в соленоиде, N – число витков соленоида; L – его длина, К – ко­эф­фи­ци­ент, учитывающий отличие поля в короткой ка­туш­ке от по­ля в длин­ной.

Для данной установки r_к<<r_а , поэтому величина в формуле (17.12). очень мала и ею можно пренебречь. Тогда формула (17.12) примет вид:

. (17.15)

1

Рис. 17.10

Д

PA2

PA1

PV1

ля вы­пол­не­ния дан­ной ра­бо­ты при­ме­ня­ет­ся схе­ма, ука­зан­ная на рис.17.10 и со­стоя­щая из элек­трон­ной лам­пы 6E5С (1); со­ле­нои­да (L); источника пи­та­ния катода лам­пы напряже­ни­ем ~6.3 B; цепи питания анода напряжением U=350 B; пере­мен­но­го со­про­тивле­ния R₂; мил­ли­ам­пер­мет­ра PA1; вольт­мет­ра PV1; це­пи пи­та­ния со­ле­нои­да L, со­стоя­щей из вы­пря­ми­те­ля, = 24 В; пе­ре­мен­но­го со­про­тив­ле­ния R₁; клю­ча SA1; ампермет­ра PА2.

Рис. 17.11

Рас­по­ло­же­ние при­бо­ров на па­нель­ном щит­ке представлено на рис.17.11: 1 – циф­ро­вой при­бор Щ4313 для из­ме­ре­ния напряже­ния U_а; 2 – циф­ро­вой при­бор Щ4313 для из­ме­ре­ния си­лы то­ка I_кр. в це­пи ка­туш­ки; 3 – ка­туш­ка с ин­ди­ка­то­ром 6Е5С; 4 и 5 – рукоятки по­тен­цио­мет­ров для из­ме­не­ния напряжения; 6 – тумб­лер вклю­че­ния ус­та­нов­ки в сеть; 7 – ин­ди­ка­тор вклю­че­ния ус­та­нов­ки в сеть.

Перед началом работы:

– на приборе Щ4313 (1) долж­ны быть на­жа­ты кнопки: "пит", "V", "500", осталь­ные от­жа­ты;

– на приборе Щ4313 (2) долж­ны быть на­жа­ты кноп­ки: "пит", "А", "5", остальные от­жа­ты;

– на потенциометрах рукоятки 4 и 5 долж­ны быть в край­нем ле­вом положении (про­тив ча­со­вой стрел­ки до упо­ра).

По­ря­док вы­пол­не­ния ра­бо­ты.

1. Пе­ред на­ча­лом вы­пол­не­ния раб­оты оз­на­ко­мить­ся с ус­та­нов­кой и проверить пра­виль­ность вклю­че­ния при­бо­ров.

2. Вклю­чить ус­та­нов­ку в сеть тумб­ле­ром 1.

3. Ус­та­но­вить рукояткой 4 анод­ное на­пря­же­ние U_a по за­да­нию преподавателя. Зна­че­ние U_а за­пи­сать в табл.17.3.

4. Из­ме­няя по­во­ро­том руч­ки 5 ток в ка­туш­ке, по­доб­рать та­кой I_кр, при котором зе­ле­ное по­ле ин­ди­ка­то­ра 6Е5С от­ры­ва­ет­ся от края эк­ра­на (пол­но­стью пере­ста­ет ка­сать­ся внеш­ней ок­руж­но­сти). Зна­че­ния I_кр за­пи­сать в таблицу 17.3.

Таблица 17.3

Номер опыта	Ua, В,	Iкр., А	(e/m), Кл/кг	(e/m)ср., Кл/кг,	Δ(e/m), Кл/кг	(e/m)табл., Кл/кг
1
2
3
4
5

5. Про­из­ве­сти из­ме­ре­ния при дру­гих зна­че­ни­ях на­пря­же­ния, за­дан­ных препо­да­ва­те­лем.

6. Про­из­ве­сти вычисления удельного заряда по фор­му­ле (17.15), где ₀ =410^{7 Гн}/_м – магнитная по­сто­ян­ная; L=0.1м; r_a=0.01м, N = 370; K = 0.85; – анод­ное напряжение; – критический ток.

7. Рассчитать среднее значение удельного заряда и его погрешность, сравнить с табличным значением.

8. Ре­зуль­та­ты рас­че­тов за­не­сти в таб­ли­цу 17.3.

9. Сде­лать вы­воды.

Кон­троль­ные во­про­сы.

1. На­пи­ши­те фор­му­лу си­лы Ло­рен­ца в векторном и скалярном виде. Как направлена сила Лоренца?

2. Рассмотрите движение электрона в однородном магнитном поле в двух случаях: а) скорость электрона  ; б) скорость электрона направлена под углом  к полю (найти радиус траектории, период вращения, шаг винтовой линии).

3. В чем суть метода магнетрона для определения удельного заряда?

4. Вы­ве­ди­те рас­чет­ную фор­му­лу (17.12).

5. Влияет ли на величину В_кр изменение направления тока в соленоиде на противоположное?

6. Нарисуйте траекторию электрона на участке "катод-анод". Укажите векторы сил, действующих на электрон.