Определение порядка величины удельного заряда электрона

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

Научиться определять порядок величины удельного заряда электрона по отклонению электронного пучка в магнитном поле.

ПРИБОРЫ:

1. Лампа 6Е5С

2. Катушка индуктивности (от школьного разборного трансформатора)

3. Реостат (30 Ом).

4. Амперметр Э515 (1-2 А.)

5. Вольтметр Э514 (300 В.)

6. Выпрямитель ВС-24 - (e₁)

7. Выпрямитель ВУП (e₂ и e₃)

8. Соединительные провода.

ТЕОРИЯ МЕТОДА

Удельный заряд электрона , величина которого сохраняется при небольших скоростях движения электрона, является одной из важных констант физики.

Если электрон, движущийся с постоянной скоростью прямолинейно, подвергается действию магнитного поля, то его траектория искривляется. Форма траектории зависит от конфигурации магнитного поля и величины его индукции, скорости электрона и угла между направлением поля и направлением скорости электрона.

В данной работе определение порядка величины удельного заряда электрона производится по отклонению электронного пучка в магнитном поле катушки. Отклонение электронного пучка удобно наблюдать в лампе 6Е5С по свечению ее экрана. Устройство лампы схематично показано на рис.1.(вертикальный разрез лампы).

Рис.1

Вакуумный триод.

Катод – К, управляющая сетка – С и анод – А составляют триод. Индикаторная часть лампы образуется катодом К, коническим экраном Э (покрытым люминофором) и проволочным усиком У, расположенным между катодом и экраном и присоединенным к аноду.

Электроны движутся от катода к аноду радиально и вызывают свечение экрана. Усик вызывает изменение формы эквипотенциальных поверхностей и силовых линий (рис.2). Электроны не долетают до экрана, в результате чего за усиком в области Т-Т образуется тень, (т.е. экран не светится там, куда не долетели электроны) тем более широкая, чем ниже потенциал усика (по сравнению с потенциалом экрана). Для проведения опыта лампа помещается в катушку (от школьного трансформатора на 220В), которая питается постоянным током.

Рис. 2.

Форма тени на экране в отсутствие магнитного поля.

Под действием магнитного поля постоянного тока катушки траектория электронов искривляется. Увеличивая ток в катушке, и тем самым индукцию магнитного поля, можно при неизменном режиме лампы добиться того, чтобы радиус кривизны r_o траектории электронов, достигших края экрана, (рис.3) был равен половине радиуса экрана. В этом случае часть пучка электронов скользит по краю экрана, край тени Т-Т изгибается так, как показано на рис.3.

Рис. 3.

Форма тени на экране при наличии магнитного поля.

Под действием силы Лоренца электрон в данном случае движется по окружности, так как сила Лоренца вызывает центростремительное ускорение. Магнитное поле катушки в нашем случае направлено вертикально (перпендикулярно плоскости рисунка), электроны движутся в плоскости рисунка, это дает возможность определить направление силы Лоренца и ее величину:

(1).

Из формулы (1) находим удельный заряд электрона:

(2),

где v – скорость электрона,

В – индукция магнитного поля,

r₀ – радиус кривизны траектории электрона.

Скорость электрона можно найти, если известно значение ускоряющей разности потенциалов Dj, действующей на электрон между катодом и анодом:

(3), отсюда

(4).

Индукцию магнитного поля на середине катушки можно найти по формуле:

(5),

где: R–средний радиус катушки,

I–ток катушки, N–число витков,

L – высота катушки.

Подставив выражения (4) и (5) в (2), получим:

(6),

где m₀– магнитная постоянная, равная 4p10^-7 Гн/м; m=1;

R–средний радиус катушки, равный 4,5см;

N=490 витков (при включении катушки на 220В);

r₀-радиус кривизны траектории электронов, r₀ = r/2, r = 1,2 cм.

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

2. Включить источник, дающий регулируемое анодное напряжение e₂ (ВУП, 0 - 250В), поставить регулятор напряжения в среднее положение, подождать пока лампа нагреется, затем отрегулировать анодным напряжением тень на экране, чтобы она чётко выделялась. Источник переменного напряжения e₃ начинаем работать при включении ВУПа в сеть

3. Включить источник тока e₁ и, изменяя ток в катушке с помощью реостата, добиться, чтобы на экране лампы получилась такая картина, как показано на рис.3. Если несколько увеличить ток в катушке, то появится светлая полоска между краем тени и краем экрана, это говорит о том, что сила Лоренца велика, электроны возвращаются на катод.

Поскольку нужная картинка устанавливается «на глаз», предлагаемый метод не претендует на точность, определяется порядок величины е/m, погрешности не оцениваются. Ценность метода в его наглядности.

4. Снять показания вольтметра и амперметра. Анодное напряжение выше было обозначено Dj – ускоряющая разность потенциалов.

5. Опыт повторить 3 раза, взяв другие анодные напряжения на лампе, к ним подобрать соответствующие значения силы тока.

6. Измерить длину катушки. Радиус кривизны края экрана взять равным 1,2 см. Все данные внести в таблицу.

Заштрихованные клетки таблицы не заполняются.

7. По формуле (6) вычислить удельный заряд электрона. Подставив наименование всех величин в формулу, получить наименование удельного заряда в СИ. По результатам трех опытов найти (е/m)_ср.

8. Сравнить полученные результаты с табличным значением удельного заряда электрона

Кл/кг.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Уметь выводить формулы (5) и (6).

2. Уметь выводить формулы радиуса кривизны траектории, по которой заряженная частица движется в магнитном поле, и периода обращения частицы по окружности. Рассмотреть случаи, когда скорость частицы перпендикулярна направлению вектора индукции магнитного поля и не перпендикулярна.

3. Знать примеры устройств, в основе действия которых лежит взаимодействие движущейся заряженной частицы с магнитным полем.

4. Знать устройство и принцип действия лампы 6Е5С.

5. Знать правило определения направления силы Лоренца.