4. Методика експериментального визначененя питомого заряду електрона

Вплив магнітного поля на рух заряджених частинок широко використовується для визначення питомого заряду елементарних частинок. Так, якщо в однорідне магнітне поле індукцією В перпендикулярно його силових ліній з швидкістю V влітає електрон, то як випливає з (47.7), його питомий заряд буде рівним (47.13).

(47.13)

Таким чином, для експериментального визначення питомого заряду електрона необхідно електрон направити з відомою швидкістю V перпендикулярно до силових ліній магнітного поля відомої індукції В і виміряти радіус R кола по якому починає рухатись електрон. На рис.47.5 наведена принципова схема лабораторної установки, яка дозволяє здійснити рух електронів перпендикулярно до силових ліній і виміряти всі величини (В,V,R), що необхідні для визначення e/m.

Основним елементом такої системи є трьохелектродна вакуумна лампа (тріод), яка знаходиться всередині соленоїда. Нитка розжарення НР нагріває катод К, з якого вилітають електрони. Між катодом К і сіткою С від джерела постійного струму (30В) створюється прискорююча різниця потенціалів U, яка регулюється потенціометром і вимірюється вольтметром.

Електричне поле між катодом і сіткою виконує роботу А = еU, яка іде на збільшення кінетичної енергії електрона і тому можна записати (47.14), звідки швидкість електрона буде рівна (47.15).

(47.14)

(47.15)

Пройшовши сітку, електрони рухаються з сталою швидкістю V до анода і створюють в лампі анодний струм, який вимірюється міліамперметром (зверніть увагу – напруга між анодом і сіткою відсутня). Лампа розташована в магнітному полі соленоїда так, що силові лінії його магнітного поля перпендикулярні до напряму руху електронів. Соленоїд приєднаний до джерела постійного струму, яким є випрямляч з регулятором вихідної напруги. Для цього використовується ЛАТР (лабораторний трансформатор). Змінюючи вихідну напругу (пересуваючи вздовж обмотки ЛАТРа рухомий контакт) ми тим самим змінюємо силу струму в соленоїді, отже і індукцію його магнітного поля.

Індукцію магнітного поля соленоїда розраховують за формулою (47.16)

, (47.16)

де І – сила струму в соленоїді; N – число витків соленоїда; L – його довжина; ₀ – магнітна стала, яка рівна 410^-7 Гн/м;  - магнітна проникність середовища, в даному випадку  = 1 (середовище в лампі – вакуум).

Під дією магнітного поля соленоїда електрони в лампі почнуть рухатись по колу (діє сила Лоренца, див рис. 47.1). як тільки діаметр цього кола стане рівним віддалі d від сітки до анода, то електрони, підлетівши до нього повернуться назад і струм в анодному колі лампи припиниться. Таким чином, в даному експериментальному методі ми задаємо необхідний радіус кола, по якому повинні рухатись електрони і цей радіус рівний (47.17) (віддаль d вказана в технічному паспорті лампи).

(47.17)

Здійснити дану умову (47.17) дозволяє проста зміна сили струму в соленоїді. Так, збільшуючи силу струму в соленоїді ми тим самим збільшуємо індукцію магнітного поля (47.16) і одночасно слідкуємо за показами міліамперметра в анодному колі. Якщо анодний струм стане рівним нулю, то буде виконана умова (47.7).

З рівняння (47.13), (47.14), (47.16) та (47.17) отримаємо робочу формулу (47.18) для визначення питомого заряду електрона. Так, як нагрітий катод випускає електрони з різною швидкістю, то залежність анодного струму лампи від струму в соленоїді має плавний характер (рис.47.6).

(47.18)

Тобто з збільшенням магнітної індукції магнітного поля все більша кількість електронів не буде досягати анода. Продовжуючи прямолінійну ділянку графіка рис. 47.6, визначимо струм, при якому переважаюча кількість електронів не досягне анода. Це значення сили струму підставляють в робочу формулу (47.18).