Визначення питомого заряду електрона методом магнетрона, контент-платформа

де т - маса частинки, яка покладається не залежить від швидкості, що відповідає руху зі швидкістю u, багато меншій швидкості світла у вакуумі.

Використовуючи вирази (1), (2) і (3), можна знайти прискорення зарядженої частинки, що рухається в електричному і магнітному полях:

Це рівняння показує, що рух зарядженої частинки в силових полях залежить від ставлення q / т, яке називається питомим зарядом даної частинки. Вивчаючи рух різних заряджених частинок в електричному і магнітному полях, можна визначити питому заряд частинки і тим самим отримати відомості про природу частинок. У даній лабораторній роботі визначається відношення заряду е електрона до його маси т методом магнетрона.

Магнетроном називається пристрій, в якому електрони рухаються у вза-імно перпендикулярних електричному і магнітному полях. У нашому випадку магнетрон виконаний у вигляді мініблока «магнетрон», в якому магнітне поле ство-дається циліндричної котушкою зі струмом (соленоїда), всередину якої поміщений вакуумний діод - електронна лампа з двома електродами: катодом і анодом. Електроди лампи циліндричні (рис. 1), і їх загальна вісь збігається з віссю со-леноіда. Анод є холодним елек-Трод, а катод підігрівається ниткою розжарення, для створення електронної емісії. Магнітне поле соленоїда направлено вздовж осі котушки і лампи. Завдяки коаксіальної формі електродів напруженість електричного поля всередині вакуумного діода перпендикулярна осі лампи і, отже, електричне поле між катодом і анодом лампи перпендикулярно магнітному полю соленоїда.

При подачі на лампу анодного напруги U (при розігрітому катоді) електрони з електронної хмари поблизу катода спрямовуються до анода. У лампі з'являється анодний струм I А, який буде залежати від величини прикладеного анодного напруги. Чим вище напруга, тим більша кількість електронів притягнеться до анода, забезпечуючи збільшення анодного струму лампи.

Модуль живлення забезпечує також проходження струму I по обмотці соленоїда, причому величину струму можна плавно змінювати від 0 до 1 А. При цьому змінюється величина магнітної індукції, яка в середині довгої циліндричної котушки соленоїда може бути знайдена за формулою

де N - число витків в соленоїді, а l - його довжина, яка повинна бути багато більше радіуса соленоїда.

В даному випадку котушка має довжину, яку можна порівняти з її діаметром, тому реальна магнітна індукція В буде трохи менше В с, розрахованої за формулою (5). Тому експериментальне значення

Таким чином, для вирішення поставленого завдання потрібно знати радіус траєкторії електрона і відповідне йому значення індукції магнітного поля при відомому анодній напрузі.

Для траєкторії 3, відповідної критичного значення магнітної індукції В кр, можна прийняти, що радіус цієї траєкторії дорівнює половині радіуса R а анода (R кр = 0,5Rа) (див. Рис. 2), тоді розрахункова формула для визначення питомої заряду електрона матиме вид:

Практично визначають залежність анодного струму Іа немає від індукції В. а від сили струму I в соленоїді. За виміряним значенням струмів I і I а будують графік залежності I а (I), і по точці перегину (див. Рис. 3) визначають I кр. Критичне значення індукції магнітного поля розраховують за формулою (5), підставляючи в неї отримане з графіка значення I кр. Значення коефіцієнта К вказано на мініблоке.

Устаткування. мініблок «Магнетрон», модуль харчування, мультиметр, стрілочний амперметр, вольтметр.

1. Для проведення експерименту необхідно зібрати схему установки (рис. 4), використовуючи монтажну схему (рис. 5). На складальному полі встановіть мініблок «Магнетрон» у відведений для нього місце. Його контакт № 1 з'єднайте з плюсом джерела живлення 3 В.

2. Так як всі контакти «земля ^» на складальному полі всередині блоку з'єднані між собою, і так само з'єднані між собою подібні контакти блоків живлення на модулі харчування, то досить один контакт ^ блоку живлення з'єднати з будь-яким контактом ^ набірного поля. Наприклад, можна з'єднати «землю» від 12 В з будь-«землею» набірного поля. Для подачі будь-якого іншого напруги досить одного проводу від клеми «+» джерела живлення.

3. У роботі використовуються два джерела живлення з регульованою напругою до 12 вольт. Від одного з них напруга подається на анод електронної лампи через мультиметр (виносні входи mA і COM, режим 200 mA), а друге джерело живить соленоїд через стрілочний амперметр. Третє джерело живлення (UЗ = 3 В) забезпечує підігрів катода. З'єднайте їх як показано на рис. 5.

4. При складанні схеми слідкуйте за правильністю полярності приладів - плюс джерела живлення з'єднувати з плюсом вимірювального приладу.

5. Джерело живлення лампи поставте на максимальне напруження (крайнє праве положення регулятора), а джерело живлення котушки - на мінімум (крайнє ліве положення регулятора вихідної напруги).

6. Після перевірки схеми викладачем включите модуль харчування, мультиметр. Встановіть на аноді лампи напруга 12 В, контролюючи його стрілочним вольтметром.

7. Заміряйте анодний струм лампи при відсутності магнітного поля: для цього, на час вимірювання анодного струму, витягніть з'єднувальний провід з гнізда харчування соленоїда і запишіть значення анодного струму в табл. 1.

8. Вставте провід назад. Плавно збільшуйте струм соленоїда і спостерігайте за мультиметру за поведінкою анодного струму. Як тільки він почне знижуватися, запишіть цей струм і струм соленоїда в табл. 1 Далі збільшуйте струм соленоїда кроками по 0,02 А до 0,54 А і продовжуйте записувати вимірювані величини в табл. 1.

9. Після зняття характеристики зменшіть ток соленоїда до мінімуму, збільште напругу на аноді лампи до 13 В і повторіть попередні вимірювання (т. Е. Повторіть пункти 7,8).

10. Після виконання роботи покажіть результати вимірювань викладачеві, вимкніть живлення, розберіть схему, запишіть в чернетку похибки приладів.

напруга

1. Побудуйте графіки залежності анодного струму Іа від струму в соленоїді I для обох характеристик.

2. Знайдіть за графіками I кр, розрахуйте експериментальні значення e / m.

3. Знайдіть середнє значення e / m і порівняйте ваш результат з табличними даними. Напишіть висновок виконану роботу.

Контрольні питання

1. Що називається питомою зарядом частинки? Порівняйте питомі заряди протона і електрона.

2. Покажіть напрямки індукції магнітного поля і напруженості електричного поля на рис. 2.

3. Які сили діють на електрон в електричному і магнітному полях? Вкажіть їх направлення на рис. 2 в будь-якій точці траєкторії.

4. Який напрям має сила Лоренца? Чому дорівнює її модуль?

5. Яку роботу виконує електричне (магнітне) поле при переміщенні заряду?

6. Як змінюється скидна характеристика магнетрона при збільшенні або зменшенні анодного напруги?

7. Від яких величин залежить прискорення зарядженої частинки в електричному полі? У магнітному полі?

8. За якими траєкторіям може рухатися заряд в магнітному полі?

9. Як визначити радіус траєкторії електрона, якщо його швидкість перпендикулярна вектору магнітної індукції?

10.Як швидкість набере електрон на шляху до анода при анодній напрузі, рівному U?

11.Во скільки разів зміниться максимальна швидкість електронів при збільшенні анодної напруги в 2 рази?

12.За рахунок чого створюються електричне та магнітне поля в магнетроні?

13.Виведіте формули (7), (14), (15).

14. Для чого використовується джерело напруги на 3 В?