Определение удельного заряда электрона

Цель работы: определить удельный заряд электрона по движению электрона в диоде, помещенном в магнитном поле.

Оборудование: плата с диодом и катушкой, блок питания, вольтметр, миллиамперметр, амперметр.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Удельный заряд – это характеристика элементарных частиц, равная отношению заряда к массе. В некоторых опытах измерение одновременно заряда и массы невозможно, но можно определить удельный заряд, величина которого позволяет установить частицу. Удельный заряд электрона можно определить, например, методом цилиндрического магнетрона.

Магнетрон – это электронная лампа, в которой движением электронов управляет магнитное поле. Магнетрон применяется в радиотехнике для генерации сверхвысокочастотных колебаний. В работе в качестве магнетрона применяется электронная лампа – диод 1Ц 11П, который помещен в магнитное поле катушки с током.

Электроны, испускаемые нагреваемым катодом вследствие явления термоэлектронной эмиссии, движутся к аноду под действием электрического поля. Напряженность электрического поля максимальна у катода, а в остальном пространстве электрическое поле слабое. Поэтому электроны разгоняются около катода, а дальше движутся почти с постоянной скоростью в радиальном направлении к аноду. Скорость электронов V можно определить по закону сохранения энергии. Потенциальная энергия электрона в электрическом поле при движении от катода к аноду превращается в кинетическую энергию:

, (1)

где е, m – заряд и масса электрона; U – разность потенциалов между катодом и анодом диода.

Если включить магнитное поле, направленное параллельно оси диода, значит, перпендикулярно вектору скорости, то на электроны начинает действовать сила Лоренца

, (2)

где B – индукция магнитного поля.

Направление силы можно определить по правилу левой руки: если четыре пальца вытянуть по скорости, а силовые линии входят в ладонь, то отогнутый большой палец покажет направление силы для положительного заряда. Для отрицательного электрона – наоборот. Сила Лоренца перпендикулярна вектору скорости, следовательно, является центростремительной силой. Поэтому траектория электрона является дугой окружности. По второму закону Ньютона произведение массы электрона на центростремительное ускорение равно силе Лоренца: Отсюда радиус кривизны траектории равен

. (3)

Как видно, с ростом индукции магнитного поля радиус кривизны дуги уменьшается (рис. 1). При некотором значении индукции магнитного поля, названного критическим В_кр, орбита электрона превращается в окружность, которая касается анода. Радиус критической орбиты равен половине радиуса анода R=r/2. Если еще увеличить магнитное поле, то радиус орбиты еще уменьшится, и траектории электронов не будут касаться анода. Электроны перестанут попадать на анод, и сила анодного тока упадет до нуля.

На самом деле скорости электронов из-за взаимодействия между собой несколько различны, не все электроны движутся перпендикулярно катоду. Поэтому спад анодного тока будет постепенным: сначала не достигнут анода медленные электроны, потом более быстрые. Среднеквадратичной скорости, полученной из уравнения (1), соответствует участок наиболее крутого спада графика (рис. 2).

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

. (4)

Индукция магнитного поля в центре катушки может быть рассчитана по формуле

, (5)

где = 4p∙10^-7 Г/м – магнитная постоянная; N – число витков катушки; J_кр – сила критического тока; l – длина катушки; β – угол между направлением на крайние витки из центра катушки и её осью.

Экспериментальное измерение удельного заряда электрона производится на лабораторной установке. Она состоит 1) из модуля с электронной лампой, помещенной внутрь катушки; 2) блока питания с амперметром для измерения силы тока в катушке и вольтметром, 3) миллиамперметра для измерения силы анодного тока (рис.3). Модуль и блок питания соединены кабелем.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1. Установить пределы измерения миллиамперметра 20 мА. Проверить подключение его к модулю к гнездам «РА». Индикатор должен показывать нуль.

2. Включить блок питания в сеть 220 В. Переменными резисторами установить анодное напряжение в интервале 12–120 В, минимальную силу тока через катушку (0,5 А). После нагрева катода в анодной цепи должен появиться ток, регистрируемый миллиамперметром.

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

Таблица 1

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

3. Записать в табл. 2 параметры установки и анодное напряжение. Выключить ммиллиамперметр и блок питания.

Таблица 2

Радиус анода r, мм
сos β	0, 87
Число витков N
Длина катушки l, м	0,167
Напряжение U, В
Критический ток <Jкр>, А
Индукция <Вкр>, Тл

4. Построить график зависимости силы анодного тока J_ан от силы тока в катушке J_кат. Размер графика не менее половины страницы. На осях указать равномерный масштаб. Около точек провести плавную кривую так, чтобы отклонения точек были минимальны.

5. Определить по графику среднее значение критической силы тока в катушке J_кр как абсциссу середины участка наиболее крутого спада анодного тока (рис. 2). Записать в табл. 2.

6. Рассчитать по формуле (5) среднее значение критической индукции магнитного поля катушки, подставив критическое значение силы тока. Записать в табл. 2.

Рассчитать среднее значение удельного заряда электрона по формуле (4).

7. Оценить систематическую погрешность измерения удельного заряда по формуле

, (6)

полагая, что погрешность обусловлена в основном неточностью определения критического тока. Принять 2d J_кр равной ширине участка крутого спада (рис. 2).

9. Cделать выводы. Записать результат . Сравнить с табличным значением удельного заряда электрона Кл/кг.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дайте определение удельного заряда частицы. У какой частицы удельный заряд максимален?

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

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

4. Объясните причину изменения траектории электрона между катодом и анодом диода по мере увеличения индукции магнитного поля. Дайте определение критической индукции.

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

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

Работа 23