ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА
Цель работы: определить удельный заряд электрона.
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
,
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:
,
откуда радиус кривизны траектории:
.
Если заряд q проходит ускоряющую разность потенциалов ∆φ, то электрическое поле совершает работу ∆А = q · ∆φ, которая идет на увеличение кинетической энергии частицы:
.
При этом первоначально покоящая частица приобретает скорость:
.
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 разогревается 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 ускоряющим анодом 5, приобретают скорость
и в виде узкого пучка 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 зависит от напряжения 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).
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 cos ωt, определяется соотношением:
,
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 
.
|
|
.
Для случая взаимно перпендикулярных векторов V и В, амплитуда радиуса закручивания электронов Rm:
,
,
где 
– действующее значение тока.
, (5.14)
.
Амплитуда смещения луча hm от центра экрана является нелинейной функцией действующего значения тока, протекающего через соленоиды Iq (рис. 5.17) 
.
Первая производная от смещения hm по току представляет собой касательную к функции hm (Iq), тангенс угла наклона которой для точки в начале координат равен
, откуда удельный заряд электрона равен:
. (5.15)
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 ручку 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.
Т а б л и ц а 5.4
| Iq, A | ∆ Iq, A | 2hm, 10-3 м | ∆hm, 10-3 м |
4. Построить на миллиметровке зависимость 
, 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.
Контрольные вопросы
1. Чему равна по величине и направлению сила Лоренца?
2. Какова траектория заряженной частицы, движущейся: 1) по направлению 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?
Дата добавления: 2016-02-16; просмотров: 1848;