Лабораторная установка

Общий вид установки приведен на рис.2. Главной ее частью является заполненный разреженным аргоном стеклянный баллон, в крайней части которого вертикально расположена миниатюрная электронная пушка, формирующая непрерывный пучок электронов точно так же, как в осциллографе, телевизоре и других электронно-лучевых приборах.

Рис.2

В электронной пушке, схематически изображенной на рис.3, есть катод К, нагреваемый нитью накала Н, по которой пропускается ток от источника с напряжением ~6,3В. Раскаленный катод испускает электроны. Это известное явление термоэлектронной эмиссии, в результате которого вокруг катода образуется электронное облако. Для формирования пучка быстрых электронов в пушке размещается еще два электрода – анод А и сетка С. Сетка находится вблизи катода, она заземлена и потому имеет потенциал . Относительно сетки на катод от источника напряжения подается отрицательный потенциал (до –50В). Очевидно, что чем ниже потенциал катода К, тем лучше условия для эмиссии электронов (катод отталкивает отрицательные частицы). На анод А относительно сетки С от другого источника напряжения подается регулируемый положительный потенциал (до +300В). Электроны ускоряются между катодом и анодом под действием суммарного напряжения (источники соединены последовательно). Поле между катодом и анодом ускоряет электроны, совершая работу и придавая таким образом электронам кинетическую энергию

и, следовательно, скорость

. (10)

Итак, скорость электронов однозначно определяется суммарным напряжением U, подаваемым на пушку от источника питания электронной пушки. Теперь удельный заряд (9) можно выразить через U:

. (11)

Ускоренные электроны, проскакивая отверстие, предусмотренное в аноде, выходят из пушки в виде узкого пучка и далее движутся с постоянной скоростью V. Пролетая в аргоне, электроны за счет ударов возбуждают атомы аргона, которые начинают светиться. Таким образом, след пучка электронов становится визуально наблюдаемым. Чтобы светилась вся окружность, необходимо, чтобы средняя длина свободного пробега электронов в газе была сопоставима с длиной окружности, что конструктивно достигается необходимой степенью разреженности аргона.

Как видно на рис.2, баллон с электронным пучком находится в магнитном поле, которое создается постоянным током, пропускаемым последовательно по двум кольцеобразным катушкам. Радиусы этих катушек равны расстоянию между их центрами. При такой геометрии катушки называют кольцами Гельмгольца. Эти катушки 1 и 2 схематически в разрезе показаны отдельно на рис.4. Кольца Гельмгольца обладают тем замечательным свойством, что они создают магнитное поле, однородное в широкой области пространства между их центрами, так как в этом промежутке при удалении от центра первой катушки индукция уменьшается, но индукция возрастает (из-за приближения к центру второй катушки), а сумма практически всюду одинакова: .

Очень просто рассчитать индукцию магнитного поля, созданную последовательно соединенными кольцами при пропускании по ним тока в геометрии рисунка 4. Поле одной катушки в центральной точке на расстоянии от центра кольца 1 определяется по хорошо известной простой формуле (см. курс лекций, тема: магнитное поле кругового тока):

,

где N=154 – число витков в одной катушке, – магнитная постоянная.

Два кольца создают индукцию магнитного поля посредине между ними, как видно из рис.4, вдвое больше:

, (12)

где в последнем выражении индукция поля с учетом выражена через диаметр колец , который измерять удобнее, чем радиус.

Подставляя индукцию (12) в выражение (11), получаем рабочую формулу для экспериментального определения удельного заряда электрона:

. (13)

В установке имеется два блока источников тока. Один источник необходим для питания электронной пушки: для подачи накального напряжения (~6,3B), отрицательного напряжения на катод и регулируемого положительного напряжения на анод в соответствии с рис.3. Полное напряжение измеряется параллельно включенным вольтметром V (мультиметром, работающим в режиме вольтметра). Другой источник служит для создания регулируемого постоянного тока в кольцах Гельмгольца в соответствии с рис. 4. Ток измеряется последовательно включенным амперметром (мультиметром в режиме амперметра). Перед работой необходимо детально освоиться с пределами измерений приборов и ручками регулировки напряжения и тока на панелях источников тока.

На рис.5 схематически пунктиром изображены следы наблюдаемого электронного пучка в магнитном поле, созданном постоянным током в кольцах Гельмгольца. Если ток течет по часовой стрелке, то индукция магнитного поля по известному правилу буравчика перпендикулярна плоскости рисунка (крестиками изображены силовые линии поля, направленные "от нас за плоскость колец").

Если увеличить ток , то возрастает индукция магнитного поля , возрастает сила Лоренца, которая будет сильнее изгибать траекторию и след электронов будет переходить из позиции 1 в позицию 2 (рис. 5.) – диаметр окружности уменьшится в соответствии с формулой (8).

Увеличение напряжения , подаваемого на пушку, напротив, увеличивает диаметр круговой траектории (8), так как при этом возрастает скорость (10).

Для измерения диаметра круговой орбиты электронов можно воспользоваться обычной линейкой, но точность измерений будет очень низкой. Для более точного определения диаметра в баллоне размещена специальная проволочная шкала в форме лестницы с перекладинками, покрытыми люминесцирующим составом. Когда электронный пучок попадает точно в перекладинку, она начинает ярко светиться. По паспорту установки перекладинки соответствуют калиброванным на заводе диаметрам окружности , равным точно 2, 6, 8 и 10 см. Таким образом, диаметры d измерять не требуется, они заданы. Изменяя ток и напряжение , следует подстраивать траектории под эти точно известные диаметры.