ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА

Цель работы: найти удельный заряд электрона по движению в электрической лампе, помещенной в магнитном поле катушки.

Оборудование: установка ФПЭ-03 с лампой 6Ж32П и катушкой; источник питания ИП с вольтметром и амперметром; мультиметр ВР-11.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Удельный заряд – это черта простых частиц, равная отношению заряда к массе. В неких опытах измерение ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА сразу заряда и массы нереально, но можно измерить удельный заряд, величина которого позволяет найти частичку. К примеру, удельный заряд электрона можно найти способом цилиндрического магнетрона.

Магнетрон – это электрическая лампа, в какой движением электронов управляет магнитное поле. Магнетрон применяется в радиотехнике для генерации сверхвысокочастотных колебаний. В работе в качестве магнетрона применяется электрическая ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА лампа, которая помещена в магнитное поле катушки с током.

Электроны, испускаемые нагреваемым катодом вследствие явления термоэлектронной эмиссии, движутся к аноду под действием электронного поля. Напряженность электронного поля максимальна у катода, а в остальном пространстве электронное поле слабенькое. Потому электроны разгоняются около катода, а далее движутся практически с неизменной ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА скоростью в круговом направлении к аноду. Скорость электронов V можно найти по закону сохранения энергии. Возможная энергия электрона в электронном поле при движении от катода к аноду преобразуется в кинетическую энергию:

, (1)

где е, m – заряд и масса электрона; U – разность потенциалов.

Если включить магнитное поле, направленное параллельно ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА оси, лампы, перпендикулярно вектору скорости, то на электроны начинает действовать сила Лоренца

, (2)

где B – индукция магнитного поля.

Направление силы можно найти по правилу левой руки: если четыре пальца вытянуть по скорости, а силовые полосы входят в ладонь, то отогнутый большой палец покажет направление силы для положительного заряда. Для отрицательного электрона – напротив. Сила Лоренца ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА перпендикулярна вектору скорости, как следует, является центростремительной силой. Потому линия движения электрона является дугой окружности. По второму закону Ньютона произведение массы электрона на центростремительное ускорение равно силе Лоренца: Отсюда радиус кривизны линии движения равен

Катод
Анод
В=0
В<Вкр
В=Вкр 0
В>Вкр
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Рис. 1
Рис. 2
2δ Jкр, Область крутого спада ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА
Jан
Jкат
Jкр
Безупречный спад тока

. (3)

Как видно, с ростом индукции магнитного поля радиус кривизны дуги миниатюризируется (рис. 1). При неком значении индукции магнитного поля, нареченного критичным Вкр, орбита электрона преобразуется в окружность, которая касается анода. Радиус критичной орбиты равен половине радиуса анода R=r/2. Если еще прирастить магнитное ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА поле, то радиус орбиты еще уменьшится, и линии движения электронов не будут касаться анода. Электроны закончат попадать на анод, и сила анодного тока свалится до нуля. По сути. скорости электронов из-за взаимодействия меж собой несколько различны, не все электроны движутся перпендикулярно катоду. Потому спад анодного тока будет постепенным: поначалу не достигнут ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА анода неспешные электроны, позже более резвые. Среднеквадратичной скорости, приобретенной из уравнения (1), соответствует участок более крутого спада графика (рис. 2).

Решая вместе уравнение (1) и (3) с учетом R=r/2, получим формулу для расчета удельного заряда электрона

. (4)

Индукция магнитного поля в центре катушки можно быть высчитать по формуле

, (5)

где = 4p∙10-7 Г/м – магнитная неизменная; N ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА – число витков катушки; Jкр – сила критичного тока; l – длина катушки; β – угол меж направлением на последние витки из центра катушки и её осью.

И П.
○ ~6,3 В
12–120 В
Мультиметр
Вольтметр
Амперметр
Катушка
Катод
Анод
Рис. 3
5–25 В

Экспериментальное измерение удельного заряда электрона делается на лабораторной установке. Она состоит из ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА модуля с электрической лампой, помещенной вовнутрь катушки; Источника питания ИП с амперметром для измерения силы тока в катушке и вольтметром, мультиметра для измерения силы анодного тока (рис.3). Модуль и блок питания соединены кабелем.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1. Установить пределы измерения мультиметра 2 мВ, шунта 20 мА. Проверить подключение шунта к гнездам РА модуля ФПЭ 03 . Проверить соединение ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА кабелем модуля с источником питания.

Включить мультиметр и источник питания в сеть 220 В.

2. Переменными резисторами установить анодное напряжение в интервале 80–120 В, записать в табл. 2. Выключить ток через катушку тумблером. После нагрева катода в анодной цепи должен показаться ток, регистрируемый мультиметром. Записать в табл. 1 силу анодного тока в ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА отсутствие магнитного поля.

Сила тока в катушке Jкат, А
Сила анодного тока Jан, mA

Таблица 1

Включить ток в катушке.

Повторить измерения силы анодного тока, изменяя силу тока через катушку в границах от 0,5 А до 1,5 А через каждые 0,1 А (одно деление шкалы амперметра). Результаты записать в табл. 1.

Выключить приборы.

Радиус анода ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА r, мм
сos β 0, 87
Число витков N
Длина катушки l, м 0,167
Напряжение U, В
Критичный ток , А
Индукция <Вкр>, Тл

Таблица 2

3. Записать в табл. 2 характеристики установки и анодное напряжение.

4. Выстроить график зависимости силы анодного тока Jан от силы тока в катушке Jкат. Размер графика более половины странички. На осях указать равномерный масштаб ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА. Около точек провести плавную кривую так, чтоб отличия точек были малы.

5. Найти по графику среднее значение критичной силы тока в катушке Jкр как абсциссу середины участка крутого спада анодного тока (рис. 2). Записать в табл. 2.

6. Высчитать по формуле (5) среднее значение критичной индукции магнитного поля, подставив критичное значение силы тока.

Высчитать ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА среднее значение удельного заряда по формуле (4).

7. Оценить периодическую погрешность измерения удельного заряда по формуле

, (6)

полагая, что погрешность обоснована в главном некорректностью определения критичного тока. Принять 2d Jкр равным ширине участка крутого спада (рис. 2).

8. Cделать выводы. Записать итог . Сопоставить его с табличным значением удельного заряда электрона Кл/кг.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дайте определение ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА удельного заряда частички. У какой частички удельный заряд максимален?

2. Запишите формулу силы Лоренца. Как найти направление силы Лоренца? Поясните на примерах.

3. Запишите уравнение второго закона Ньютона для движения электрона в поперечном магнитном поле.

4. Растолкуйте причину конфигурации линии движения электрона меж катодом и анодом по мере роста индукции ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА магнитного поля. Дайте определение критичной индукции.

5. Растолкуйте зависимость силы анодного тока с ростом индукции магнитного поля. Почему спад силы тока происходит не скачком при критичном значении индукции?

6. Выведите формулу для расчета удельного заряда электрона по движению в магнетроне.


Работа 23


opredelenie-utochnenie-pokazatelej-ispolzovaniya-zemsnaryadov-po-vremeni-i-proizvoditelnosti.html
opredelenie-vedushej-reprezentativnoj-sistemi-pacienta.html
opredelenie-velichini-informacionnih-potokov.html