Определение удельного заряда электрона

                                                   Лабораторная работа № 32

                                    Определение удельного заряда электрона

Цель работы: Определение удельного заряда электрона.

Приборы и принадлежности: Электронно- лучевой прибор с встроенным соленоидом, блок питания (источник постоянного тока), миллиамперметр, реостат, ключ.

                                                    Методические указания

Удельным зарядом называется отношение заряда электрона к его массе   . Это значение можно определить рассматривая движение электрона во внешних электрическом и магнитном полях (методы Томсона, Буша, масс- спектрограф). Силы, действующие на электрон в этих полях равны соответственно:

                                                                                                                    (1)  

                                                                                                         (2)

где   - напряженность электрического поля;      - индукция магнитного поля;  е,    - заряд и скорость электрона.

Направление силы Лоренца       (2), действующей на заряд со стороны магнитного поля определяется правилом левой руки (или правилом векторного произведения). В зависимости от угла            между             траекторией движения заряженной частицы (в частности электрона) может быть прямая ( при   =0⁰), окружность (при =90⁰) или спираль, т.к. сила Лоренца выполняет роль центростремительной силы:

                                                                                          (3)

где r- радиус кривизны траектории.

Для    =90⁰ из  (3)  получаем:

                                                                                                          (4) 

Скорость электрона, ускоренного разностью потенциалов U (например, напряжением катод- анод в электроннолучевой трубке) при V С (где С- скорость света в вакууме) можно определить из закона сохранения энергии, приравняв работу сил электрического поля кинетической энергии электрона:

                                                                                                        (5)

Тогда из (4) и (5) получим:

                                                                                                           (6)

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Основной частью установки является специальный осциллограф, в котором часть электроннолучевой трубки ЭЛТ охвачена соленоидом L, так, что магнитное поле соленоида перпендикулярно скорости электронов в электроннолучевой. Постоянное напряжение между катодом и анодом трубки определяет скорость электронов согласно равенству (5).

В рабочей схеме рис.1 реостат R служит для регулировки силы токаI в соленоиде, ключ позволяет размыкать цепь и менять направление тока I.

Рис.1

При замыкании электрической цепи магнитное поле соленоида приводит к смещению электронного луча на экране осциллографа вверх или вниз, в зависимости от направления I тока. Рассмотрим это подробнее.

Пусть в отсутствие тока в соленоиде электроны попадают в точку 0 в центре экрана ЭЛТ (рис.2).

Рис.2

Направление начальной скорости       электронов перпендикулярно экрану и оси соленоида. При включении тока электроны под действием     (рис.2) движутся по траектории АО^I - дуге окружности радиуса r, и «зайчик» на экране смещается поэтому из (.) 0 в (.)0¹ (направление индукции магнитного поля В на рис. указано точками). Напомним, что направление поля на оси соленоида определяется правилом правого винта и величина поля вычисляется по формуле              , что с учетом рассеяния                                                                                  

                                                                                                     (7)

где m₀ - магнитная постоянная,

N- число витков соленоида,

l_с- длина соленоида,

 a_с - коэффициент рассеяния соленоида.

Смещение у=00¹ на экране ЭЛТ связано с радиусом кривизны траектории r (см. рис. 2), изD ДС

откуда получаем r:

                                                                                              (8)

Подставив (7) и (8) в (6) получим общую формулу для определения удельного заряда электрона в виде:

                                                                                 (9)

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.  Проверить электрическую схему установки по рис.1

Ключ К разомкнуть. Ползунок реостата R поставить в среднее положение.

2.  Включить блок питания постоянного тока и электронно-лучевой прибор в сеть ~ 220 В. Включить тумблеры «Сеть» на передних панелях приборов. При этом должны загораться сигнальные лампочки.

3.  После 5 минутного прогрева приборов вывести в центр экрана ЭЛТ светящуюся точку средней яркости:  (ручки Х, У, яркость).

4.  Замкнуть ключ К. Установить с помощью реостата Rзначение тока соленоида I_1, (значения токов задает преподаватель).  Записать в таблицу 1 значение смещения у₁ на экране ЭЛТ и, измерив направление тока, -смещение у₁¹. Такие же измерения выполнить для двух других токов – I₂ , I₃. Повторить измерения еще два раза для каждого значения I_k.

Таблица 1

1 2 3

Таблица 2

			rk	Bк
	А	М	М	Тл
1 2 3

5. Вычислить средние значения          , для каждого тока I_k. Записать соответствующие значения     и       в таблицу 2.

6. По формуле (8) для каждого     вычислить r_k ( м ).

7. По формуле (7) для каждого I_k    вычислить B_к  (Т_л ) .

8. По формуле (6) вычислить три значения       

9. Вычислить погрешность каждого опыта     и среднеквадратичную погрешность опыта

где  n  =3

10. записать результат опыта в виде

=(                                     ) 

11. Сравнить справочные данные с полученным результатом.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.  Что называется удельным зарядом электрона?

2.  чему равны силы, действующие на заряд в магнитном и электрическом полях? Как они направлены?

3.  Объясните, почему при   =90⁰  траекторией движения электрона в В  поле будет окружность, а при     =30⁰ – спираль?

4.  Чему равна работа сил электрического поля по перемещению в нем заряда? Сформулируйте закон сохранения энергии при определении скорости электрона в ЭЛТ.

5.  от чего зависит величина смещения электронного луча на экране ЭЛТ?

6.  Объясните смещение луча на экране ЭЛТ вверх на рис.2. Что измениться, если поменять направление тока I на обратное?

ЛИТЕРАТУРА.

1.  Зисман Т.А., Тодес О.М. Курс общей физики, т.2, 37, 1972.

2.  Савельев И.В. Курс общей физики, т.2, гл. Х, 1978.

3.  Грабовский Р.И. Курс физики, IOI, с.370.