Лабораторная работа 3 определение отношения заряда электрона к его массе методом магнетрона. Выполнили студенты
![]()
|
ФГАОУ ВО "БАЛТИЙСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. И. КАНТА" ИНСТИТУТ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ НАУК И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ЛАБОРАТОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА И МАГНЕТИЗМА 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 ![]() ![]() ![]() Направлена эта сила перпендикулярно плоскости, в которой лежат векторы ![]() ![]() ![]() где ![]() ![]() ![]() 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 ![]() Приборы и оборудование ФПЭ-03 – модуль (удельный заряд электрона) ИП – источник питания РА – миллиамперметр
Метод измерения работы Существуют различные методы определение отношения ![]() ![]() где e - величина заряда электрона; ![]() ![]() 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.
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 ![]() 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 ![]() ![]() где ![]() 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: ![]() где ![]() Согласно уравнению моментов ![]() Проектируя (3.4) на ось z, получаем ![]() или ![]() Интегрируем уравнение (3.5): ![]() Константу найдем из начальных условий: при ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Кинетическая энергия электрона равна работе сил электрического поля: ![]() где ![]() Подставляя в (3.7) значение ![]() ![]() При некотором значении индукции магнитного поля ![]() называют критическим, скорость электрона вблизи анода станет перпендикулярной радиусу r, т.е. ![]() ![]() где ![]() ![]() Отсюда находим выражение для удельного заряда электрона: ![]() Индукция магнитного поля соленоида длина ![]() ![]() ![]() где ![]()
Таким оброзом, экспериментально определив ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Порядок выполнения работы Собрать электрическую схему установки (рис. 3.1 и 3.4)
Установить анодное напряжение ![]() 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 ![]() ![]() ![]() ![]() Повторить пп. 2 и 3 при двух других значениях анодного напряжения (больших 50 В). Результаты измерений занести в табл. 3.1. 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 ![]() ![]()
Для каждого критического значения в соленоиде рассчитать по формуле (3.10) индукцию магнитного поля. Величины ![]() ![]() Вычислить ![]() поля в соленоиде и определить ее среднее значение. Вычислить погрешность полученной величины ![]() Таблица 3.1
Таблица 3.2
Контрольные вопросы В чем суть метода магнетрона для определения отношения ![]() Влияет ли на величину ![]() на противоположное? Зависит ли виличина ![]() Рассмотреть движение электрона в однородном магнитном поле в двух случаях: а) скорость электрона ![]() ![]() ![]() ![]() Литература Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм. – М.: Мир и образование, 2005. Козлов В.И. Общий физический практикум. Электричество и магнетизм. – М.: изд. МТУ, 1987. Иродов И.Е. Основные законы электромагнетизма. – М.: Высшая школа, 1991. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2. – М.: Астрель, 2001. |