Методика и техника эксперимента. Удельным зарядом электрона называют отношение электрического заряда частицы к ее массе e/m
Удельным зарядом электрона называют отношение электрического заряда частицы к ее массе e/m. Существуют различные методы определения удельного заряда электрона, в основе которых лежат результаты исследования движения электрона в электрическом и магнитном полях. В данной работе используется метод магнетрона. Называется он так потому, что конфигурация полей в нем напоминает конфигурацию в магнетронах – генераторах электромагнитных колебаний сверхвысоких частот. В данном методе магнетрон – это электронная вакуумная лампа, в которой катод и анод образуют коаксиальную систему, помещенную в продольное однородное магнитное поле, создаваемое соленоидом, соосным электронной лампе. Принципиальная схема установки приведена на рис. 5.9.
|
Вылетающие из катода электроны движутся в скрещенных электрическом и магнитном полях (напряженность Енаправлена по радиусу от анода к катоду, индукция В – вдоль оси цилиндрической системы).
Электроны, вылетающие из катода лампы при отсутствии тока в соленоиде, движутся радиально к аноду. При включении тока в соленоиде создается магнитное поле, параллельное оси лампы и на электроны начинает действовать сила Лоренца. Под действием этой силы траектория электронов искривляется. Пути электронов изображены на рис. 5.10.
Для каждого данного напряжения между катодом и анодом существует некоторое критическое значение магнитной индукции Вк, при котором траектории электронов касаются поверхности анода. Если В<Вк, то все электроны доходят до анода и ток через магнетрон имеет то же значение, что и без магнитного поля. Если же В>Вк, то ни один электрон не достигает анода и ток через лампу равен нулю. Зависимость величины анодного тока от величины индукции магнитного поля имеет вид изображенный на рис. 5.11.
Однако при В = Вк вместо резкого отрыва тока (пунктирная линия) наблюдается размытый спад кривой. Это объясняется различного рода несовершенствами устройства магнетронов и условий опыта, например, не идеальная коаксиальность 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:
Вк = , (5.12)
где µ0 = 4π·10-7Гн/м – магнитная постоянная; L – длина соленоида; D – диаметр соленоида; N – число витков соленоида.
Удельный заряд электрона связан с критическим значением магнитной индукции соотношением:
, (5.13)
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 iCв 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 А до 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 критического тока iк.
10. По формуле (5.12) вычислить величину Вк для каждого значения критического тока в соленоиде (L = 0,168 м, D = 0,085 м, ra = 10-3 м, N = 2700).
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.
Т а б л и ц а 5.2
Ua = 50 В | Ua = 40 В | Ua = 30 В | |||
iс, А | ia, А | Iс, А | ia, А | Iс,А | ia,А |
Т а б л и ц а 5.3
Ua, В | iк, А | Вк , Тл | е/m, Кл/кг |
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?
Дата добавления: 2016-02-16; просмотров: 974;