Работа № 14 измерение удельного заряда электрона

Цель работы:	Изучить траектории электронов в однородном магнитном поле, измерить удельный заряд электрона
Приборы и принадлежности:	Лучевая трубка, катушки Гельмгольца, источники питания трубки и катушек.

Описание

Лучевая трубка используется для исследования отклонения катодных лучей в однородном магнитном поле, которое создается парой катушек Гельмгольца. Кроме того, она также может быть использована для количественного определения удельного заряда электрона e/m.

Рис. 1

1. Лучевая трубка 2. Панель подключения 3. Подключение к аноду 4. Подключение к катоду 5. Подключение к цилиндру Венельта 6. Подключение нагревателя

Внутри стеклянной колбы, диаметром 160 мм, заполненной неоном (давление в колбе ~ 10^–5 атм), находится электронная пушка, формирующая узкий электронный пучок. Пушка состоит из оксидного катода, который нагревается за счет протекания по нему тока (ток накала катода 300-450 мА, напряжение накала 4-12 В), цилиндра Венельта и встроенного анода (напряжение на аноде 200-300 В). Атомы газа возбуждаются и ионизируются ударами электронов пучка, в результате чего газ начинает светиться вдоль траектории электронов. Встроенные измерительные знаки (чередующиеся палочки на параллельных стержнях) позволяют определить диаметр круговой траектории пучка, отклоняемого в магнитном поле. Лучевая трубка крепится на основании с цветными разъемами. Для того чтобы защитить трубку, в основание базы встроена защитная схема, которая отключает любое напряжение, превышающее заданное базой напряжение отключения. Схема защиты предохраняет нить накала от излишнего напряжения и обеспечивает “плавное” включение после подачи напряжения.

Основные принципы

На электрон, движущийся со скоростью V в направлении, перпендикулярном однородному магнитному полю B, действует сила Лоренца в направлении, перпендикулярном V и B:

F=eVB. (1)

Эта сила вызывает движение электрона по круговой траектории, радиус которой r, связан с этой силой уравнением второго закона Ньютона:

(2)

Скорость V зависит от ускоряющего напряжения электронной пушки:

(3)

Поэтому удельный заряд электрона, согласно (1) – (3), определяется по формуле:

(4)

Если мы измеряем радиус круговой орбиты для разных ускоряющих напряжений U и для разных магнитных полей B, тогда, в соответствии с соотношением (4), измеренные значения могут быть нанесены на график 2 U от r ² B ², который представляет собой прямую, проходящую через начало координат:

(5)

Магнитное поле B, создаваемое парой катушек Гельмгольца, пропорционально току I_H, проходящему через один виток. Коэффициент пропорциональности k может быть найден из радиуса катушки R =174.5 мм и числа витков N =124 по формуле:

B = kI_H

где

Таким образом, все параметры, необходимые для определения удельного заряда электрона известны.

Предварительная настройка

· Разместите лучевую трубку между катушками Гельмгольца

· Для того, чтобы лучше видеть электронный пучок, проводите эксперимент в темном помещении.

· Соберите установку как показано на рисунке 2.

· Подключите вольтметр параллельно с выходом 300 В.

· Соедините катушки последовательно с источником постоянного тока, как показано на рисунке 3, таким образом, равные токи проходят через обе катушки.

· Соберите установку как показано на рисунке 4.

· Установите напряжение накала, скажем 7,5 В. (напряжение накала должно быть ниже напряжения отключения 12 В).

· Подождите около минуты, до тех пор, пока температура нагревателя не стабилизируется.

· Медленно увеличивайте напряжение на аноде до 300 В (пучок электронов изначально горизонтален и виден как слабый синеватый луч).

· Выберите напряжение Венельта так, чтобы был виден четкий и узкий электронный пучек.

· Настройте фокус и яркость электронного пучка, изменяя напряжение накала.

· Увеличивайте ток I_H, проходящий через катушки Гельмгольца, и убедитесь, что электронный пучок закручивается вверх.

· Если пучок не отклоняется:

· Поменяйте полярность одной из катушек так, чтобы ток проходил через обе катушки в одном направлении.

Если пучок не закручивается вверх:

· Поменяйте местами соединения на блоке питания, чтобы поменять полярность магнитного поля.

· Продолжайте увеличивать ток, проходящий через катушки, до тех пор пока не увидите, что пучок образовал замкнутый круг.

Если пучок не образует замкнутый круг:

· Слегка поверните лучевую трубку, относительно базы, вокруг ее вертикальной оси.

Порядок измерений

· Выберите ток, проходящий через катушки так, чтобы радиус круговой траектории был, например 5 см. Отметьте выставленный ток.

· Уменьшайте напряжение на аноде с шагом 20 В до 200 в. В каждом случае устанавливайте ток I_H в катушках так, чтобы радиус оставался постоянным. Снимите эти значения.

· Проделайте те же измерения для радиусов 3см и 4 см.

· Для дальнейшей оценки постройте график 2 U от r ² B ² (он должен быть похож на график, изображённый на рисунке 5).

· По построенному графику найдите его наклон, равный удельному заряду электрона (см. (5)).

Рис. 2 Схема подключения лучевой трубки к источнику постоянного тока 300 В U8521371

Рис. 3 Схема подключения пары катушек Гельмгольца

Рис.4 Схема подключения лучевой трубки к источнику постоянного тока 500 В

 

Рис. 5 График 2 U от r ² B ² для измеренных значений (черные r = 5 см, красные r = 4 см, зеленые r = 3 см)