ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА К ЕГО МАССЕ МЕТОДОМ МАГНЕТРОНА.
ВЫПОЛНИЛИ: студенты _______________
_______________
курс_______________
направление ______________
ПРОВЕРИЛ_____________________________
КАЛИНИНГРАД 2017
Лабораторная работа №3
Определение отношение заряда электрона
К его массе методом магнетрона
Цель работы: измерение e/m электрона методом магнетрона.
Краткое теоретическое введение
На заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, действует сила, которую называют магнитной (часть силы Лоренца):
где 
- заряд частицы; 
- ее скорость; 
- индукция магнитного поля.
Направлена эта сила перпендикулярно плоскости, в которой лежат векторы и . Модуль магнитной силы
где 
- угол между векторами и .
Троектория движения заряженной частицы в магнитном поле опредяется конфигурацией магнитного поля, ориентацией вектора скорости и отношением заряда частицы к ее массе.
Если имеются одновременно электрическое и магнитное поля, то сила, действующая на заряженную частицу, называется силой Лоренца и определяется так:
где 
- напряженность электрического поля.
Приборы и оборудование
ФПЭ-03 – модуль (удельный заряд электрона)
ИП – источник питания
РА – миллиамперметр
|
| Рис. 3.1 Схема устройства установки для определения удельного заряда электрона. |
Метод измерения работы
Существуют различные методы определение отношения 
, в основе которых лежат результаты исследования движения электрона в электрическом и магнитном полях. Один из них – метод магнетрона. Называется он так потому, что конфигурация полей в нем напоминает конфигурацию полей в магнетронах – генераторах электромагнитных клебаний сверхвысоких частот. Сущность метода состоит в следующем: специальная двухэлектродная электронная лампа, электроды которой представляют собой коаксиальные цилиндры, помещается внутри соленоида так, что ось лампы совпадает с осью соленоида. Электроны, вылетающие из катода лампы, при отсутствии тока в соленоиде движутся радиально к аноду. При подключении тока к соленоиду в лампе создается магнитное поле, параллельное оси лампы, и на электроны начинает действовать магнитная сила
(3.1)
где e - величина заряда электрона; - скорость электрона; - индукция магнитного поля.
Под действием этой силы, направленной в каждый момент времени перпендикулярно вектору скорости, траектория электронов искривляется. При определенном соотношении между скоростью электрона и индукцией магнитного поля электроны перестают поступать на анод, и ток в лампе прекращается.
|
| Рис. 3.2 Движение электронов в лампе при наличии магнитного поля |
Рассмотрим подробнее движение электронов в лампе при наличии магнитного поля. Для описания этого движения воспользуемся цилиндрической системой координат (рис. 3.2), в которой положение электрона определяется расстаянием его от оси лампы r, полярным углом 
и смещением вдоль оси Z.
Электрическое поле, имеющее только радиальную компоненту, действует на электрон с силой, направленной по радиусу от катода к аноду. Магнитная сила, действующая на электрон, не имеет составляющей, параллельной оси Z. Поэтому электрон, вылетающий из катода без начальной скорости (начальные скорости электронов, определяемые температурой катода, много меньше скоростей, приобретаемых ими при движении в электрическом поле лампы), движется в плоскости, перпендикулярной оси Z.
Момент импульса 
электрона относительно оси Z
(3.2)
где 
- составляющая скорости, перпендикулярная радиусу r.
Момент М сил, действующих на электрон, относительно оси z определяется только составляющей магнитной силы, перпендикулярной r. Электрическая сила и составляющая магнитной силы, направленные вдоль радиуса r, момента относительно оси z не создают. Таким образом:
(3.3)
где 
- радиальная составляющая скорости электрона.
Согласно уравнению моментов
(3.4)
Проектируя (3.4) на ось z, получаем
или
(3.5)
Интегрируем уравнение (3.5):
Константу найдем из начальных условий: при 
(
- радиус катода) 
. Тогда
(3.6)
Кинетическая энергия электрона равна работе сил электрического поля:
(3.7)
где 
- потенциал относительно катода точки поля, в которой находится электрон.
Подставляя в (3.7) значение 
из (3.6), получаем
(3.8)
При некотором значении индукции магнитного поля 
, которое
называют критическим, скорость электрона вблизи анода станет перпендикулярной радиусу r, т.е. 
. Тогда уравнение (3.8) примет вид
где 
- потенциал анода относительно катода (анодное напряжение); 
- радиус анода.
Отсюда находим выражение для удельного заряда электрона:
(3.9)
Индукция магнитного поля соленоида длина 
которого соизмерима с диаметром 
, находится по формуле
(3.10)
где 
- магнитная постоянная; n – число витков соленоида на единицу его длины.
|
| Рис. 3.3 Зависимость величины анодного тока от величины индукции магнитного поля |
Таким оброзом, экспериментально определив 
, можно вычислить величину 
. Для нахождения в лампе следует установить разность потенциалов между анодом и катодом и, включив ток в соленоиде, постепенно наращивать его, что увеличивает магнитное поле в лампе. Если бы все электроны покидали катод со скоростью равной нулю, то зависимость величины анодного тока от величины индукция магнитного поля имела бы вид, показанный на рис. 3.3 (пунктирная линия). В этом случае при 
все электроны, испускаемые катодом, достигали бы анода, а при 
ни один электрон не попадал бы на анод. Однако некоторая некоаксиальность катода и анода, наличие остаточного газа в лампе, падение напряжения вдоль катода, неоднородность поля соленоида по высоте анода и т.д. приводят к тому, что критические условия достигаются для разных электронов при различных значениях 
. Все же перелом кривой останется достаточно разким и может быть использован для определения .
Порядок выполнения работы
1. Собрать электрическую схему установки (рис. 3.1 и 3.4)
|
| Рис. 3.4 Электрическая схема установки. |
2. Установить анодное напряжение 
по вольтметру ИП.
3. Изменяя ток в соленоиде от минимального (начального) значения до
максимального через 0,1 А при постоянном анодном напряжении, снять сбросовую характеристику, т.е. зависимость анодного тока 
от тока в соленоиде 
. Значения анодного тока , определяемые по прибору РА, и значения тока в соленоида , определяемые по показаниям амперметра ИП, занести в табл. 3.1.
4. Повторить пп. 2 и 3 при двух других значениях анодного напряжения
(больших 50 В). Результаты измерений занести в табл. 3.1.
5. Для каждого значения анодного напряжения построить сбросовую
характерестику, откладывая по оси ординат значения анодного тока, а по оси абцисс – значения тока в соленоиде. Для нахождения критического значения тока в соленоиде 
провести до взаимного пересечения касательную к точке перегиба сбросовой характерестики (на участке ее спада) и прямую, соответствующую изменению минимальных значений анодного тока (как показано на рис. 3.5). Занести полученные значения в табл. 3.2.
|
| Рис. 3.5 Построение сбросовой характеристики |
6. Для каждого критического значения в соленоиде рассчитать по
формуле (3.10) индукцию магнитного поля. Величины 
и 
указаны на передней панели модуля ФПЭ – 03.
7. Вычислить по формуле (3.9) для каждого значения критического
поля в соленоиде и определить ее среднее значение.
8. Вычислить погрешность полученной величины .
Таблица 3.1
|
|
| |||
| , А
| , mA
| , А
| , mA
| , А
|  , mA
|
Таблица 3.2
| 
|
| 
|
| rа - радиус анода, мм | |
| rк - радиус катода, мм | |
| N – число витков соленоида, шт | |
| L – длина намотки соленоида, мм | |
| D – диаметр намотки, мм | 85±0.5% |
Контрольные вопросы
1. В чем суть метода магнетрона для определения отношения ?
2. Влияет ли на величину изменение направления тока в соленоиде
на противоположное?
3. Зависит ли виличина 
от величины анодного напряжения?
4. Рассмотреть движение электрона в однородном магнитном поле в
двух случаях: а) скорость электрона 
; б) скорость электрона 
направлена под углом 
к полю 
.
Литература
1. Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм. – М.: Мир и образование, 2005.
2. Козлов В.И. Общий физический практикум. Электричество и магнетизм. – М.: изд. МТУ, 1987.
3. Иродов И.Е. Основные законы электромагнетизма. – М.: Высшая школа, 1991.
4. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2. – М.: Астрель, 2001.