Лаб. 3.06

Тема: определение удельного заряда электрона

Цель: Определение удельного заряда электрона.

Приборы и принадлежности: магнетрон, установка собранная по схеме (схема прилагается на установке).

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Магнетроном называется электронная лампа с накаливаемым катодом, в котором поток электронов управляется одновременно электрическим и магнитным полями.

В качестве магнетрона можно использовать двухэлектродную лампу с цилиндрическим анодом А и прямолинейным катодом К, расположенным на оси анода, помещенную в (направление вдоль оси) магнитное поле В (рис.1).

Рис. 1

Электроны, испускаемые раскалённым катодом, под действием электрического поля между катодом и анодом, движутся по радиальным траекториям (при отсутствии магнитного поля) рис. 2. Если двухэлектродную лампу поместить в магнитное поле (на лампу надеть соленоид), то на движущийся заряд будет действовать сила Лоренца, численное значение, которое равно:

(1)

Где е-заряд электрона;

- скорость электрона;

В-индукция внешнего магнитного поля;

-угол между направлением скорости электронов и магнитным полем.

Если В, то sin =1 и формула (1) примет вид:

(1а)

Так как сила Лоренца всегда перпендикулярна к скорости, следовательно, и к любому элементу траектории заряженной частицы, то работы она не производит и величины кинетической энергии заряженной частицы не изменяет, а, значит, не изменяет и величины скорости.

Рис. 2.

Сила Лоренца дает только искривление траектории полет электронов. По мере усиления индукции магнитного поля электронов будут всё более искривляться и при некотором “критическом” значении магнитного поля электроны перестанут достигать анода, и по замкнутым траекториям будут возвращаться на катод (рис. 2).

За критическое значение индукции магнитного поля принимается то максимальное значение индукции магнитного поля, при котором электроны будут, достигает анода.

Если пренебречь начальными скоростями, и считать, что поток электронов движется с постоянной скоростью, то сила Лоренца будет являться центростремительной силой, т.е.

(2)

Приравнивая первые части уравнения (1а) и (2), получим:

(3)

При критическом значении индукции магнитного поля радиус кривизны траектории электронов:

(4)

Где - радиус цилиндра анода, -радиус нити катода.

Так как , то

(5)

Из формулы (3), учитывая равенство (5), можно определить удельный заряд электрона для критического значения индукции магнитного поля:

(6)

Скорость электронов можно узнать из формулы работы перемещения заряда от катода к аноду (при разности потенциалов между катодом и анодом). Эта работа равна кинетической энергии электрона , т.е.:

(7)

Отсюда: (8)

Подставляя это выражение скорости в формулу (6), получим: (9)

Магнитное поле внутри соленоида вычисляется по формуле:

(10)

Где - магнитная проницаемость среды (для воздуха равна 1);

-магнитная постоянная;

-сила тока, протекающего по соленоиду;

-число витков соленоида;

-длина соленоида;

-углы, под которыми видны крайние витки с данной точки.

Обозначения через - число витков соленоида на единицу длины. Тогда

(10а)

Если D – диаметр витков соленоида, тогда для L D

(11)

Но

(11а)

Тогда: (12)

ХОД РАБОТЫ

1. Ознакомиться с приборами и их схемой подключения. Схема прилагается.

2. Установить реостат в левое крайнее положение, а - посередине.

3. Включить тумблер и при помощи реостата установить анодное напряжение 80В.

4. Включить тумблер и, вращая ручку автотрансформатора, увеличивают ток в соленоиде от 0 до 1,5 А, через каждые 0,1 А (от 0 через каждые пять делений амперметра до 75 делений) фиксируют изменение анодного тока (следить за постоянством анодного напряжения).

5. Пункт 4 повторить для анодного напряжения 100 В и 120 В.

6. Данные занести в таблицу отчета и по ним построить зависимость .

7. Определив на графике , при котором имеет наиболее резкий спад. Вычислить по формуле:

8. Вычислить удельный заряд электрона по формуле (9), где - величина анодного напряжения, - радиус анода ( =9,6 ).

9. Вычислить абсолютные и относительные погрешности.

10. Сравнить найденные значения удельного заряда электрона с табличным.

Данные наблюдений

Результаты вычислений

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Движение заряженных частиц в электрическом поле.

2. Движение заряженных частиц в магнитном поле. Сила Лоренца. Как определить направление силы Лоренца?

3. Показать силы действующие на электрон в магнетроне.

4. Магнитное поле соленоида. Изобразить поле соленоида и вывести формулу для расчета магнитного поля соленоида.

5. Сущность метода определения при помощи магнетрона.

6. Определить направление индукции магнитного поля в магнетроне на рис. 2.

Литература

1. Трофимова Т. И. Курс физики

2. Калашников С. Г. Электричество

3. Савельев И. В. Курс физики

4. Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики

5. Телескин Р. В. Курс физики. Электричество

6. Иверонов В. И. Физический практикум

7. Рублев Ю.В. Практикум по электричеству

8. Кортнев А.В. Практикум по физике

9. Авдусь З.И. Практикум по общей физике

10. Мойсова Н.Н. Практикум по общей физике