Что называется удельным зарядом

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА

Целью данной работы является изучение движения элементарных частиц в электрическом и магнитном полях, экспериментальное определение удельного заряда электрона с помощью магнетрона.

Электрон является носителем элементарного отрицательного заряда е (e = –1,6?10 —19 Кл). Отношение его заряда к массе e/m называется удельным зарядом электрона. Удельный заряд может быть экспериментально определён различными методами. Все они основаны на поведении электрона в электрическом и магнитном полях.

, (2.9.1)

которая сообщает электрону ускорение и направлена против поля.

Под действием этой силы электрон, пройдя расстояние между точками с разностью потенциалов U, приобретает кинетическую энергию

. (2.9.2)

Движение электрона в однородном магнитном поле происходит под действием силы Лоренца

, (2.9.3)

Сила Лоренца перпендикулярна как скорости электрона, так и направлению магнитного поля. Она не меняет модуля скорости и кинетической энергии частицы.

Модуль силы Лоренца

, (2.9.4)

Сила Лоренца сообщает электрону нормальное (центростремительное) ускорение и вызывает движение его по окружности радиуса R, если угол a составляет 90 o (рис. 5). Таким образом, по второму закону Ньютона:

, (2.9.5)

откуда радиус окружности

. (2.9.6)

Из формулы (2.9.6) видно, что радиус окружности зависит от удельного заряда e/m. Этот факт и положен в основу метода определения удельного заряда с помощью магнетрона.

Магнетрон представляет собой высоковакуумную элек­тронную трубку, имеющую пря­мую металлическую нить (ка­тод), расположенную по оси ци­линдрического анода.

Для нашей работы магнетрон с успехом можно заменить обычной электронной лампой с цилиндрическим анодом, на оси которого расположен катод (рис. 6, а). Лампа помещается внутри длинного соленоида, при помощи которого параллельно оси создаётся магнитное поле напряжённостью .

Катод нагревается электрическим током и испускает электроны, которые под действием электрического поля движутся к аноду. Когда магнитное поле отсутствует, электроны движутся по радиусам цилиндрического анода (рис. 6 б, линия 1).

Если включить магнитное поле, траектория движения искривляется, и тем больше, чем сильнее поле (рис. 6, б, линия 2). Все электроны достигают анода, и величина анодного тока в цепи практически не изменяется до определённого момента, когда при дальнейшем увеличении магнитного поля радиус траектории всё больше уменьшается и при некотором критическом значении В_кр, электроны, не достигнув анода, вернутся обратно к катоду (рис. 6, б, линия 3).

При выполнении условия В > В_кр электроны уже не будут попадать на анод, и ток станет равен нулю (рис. 6, б, линия 4).

На рис. 7 приведен график зависимости анодного тока I_А от ин­дукции магнитного поля при некотором анод­ном напряжении U_А (сбросовая характе­ристика магнетрона).

Если бы все электроны, вылетающие из катода, имели одну и ту же скорость, анодный ток I_А спадал бы до нуля точно при критическом значении В_кр индукции магнитного поля (рис. 7, штриховая линия). Однако скорости вылетевших электронов разные, поэтому уменьшение тока происходит на довольно протяжённом участке вблизи В_кр (рис. 7, сплошная линия).

Критическое значение индукции магнитного поля является некоторой функцией анодного напряжения U_А. Эту зависимость легко установить, если предположить, что скорость электрона при его движении в магнетроне остаётся постоянной по модулю. При В = В_кр, радиус окружности, по которой движется электрон, равен R_А /2, где R_А – радиус анода. Подставляя его в уравнение (2.9.6), получим:

. (2.9.7)

Решая совместно уравнения (2.9.2) и (2.9.7), получим формулу для расчёта удельного заряда электрона:

, (2.9.8)

где U_А — разность потенциалов между катодом и анодом.

, (2.9.9)

где – длина соленоида; N – число витков соленоида; I_сол — сила тока, протекающего через соленоид (сила намагничивающего тока); – магнитная постоянная.

Критическому значению индукции магнитного поля В_кр соответствует критическое значение силы тока I_кр. Учитывая это и подставляя (2.9.7) в (2.9.8), получим

. (2.9.10)

При выводе (2.9.10) предполагалось, что электрическое и магнитное поля действуют на электрон по очереди, сначала он в электрическом поле разгоняется до скорости , а затем с этой постоянной скоростью движется в магнитном поле.

В рассматриваемом случае электрон движется в скрещенных магнитном и электрическом полях и одновременно испытывает действие сил со стороны обоих полей. Вследствие этого, скорость электрона не постоянна (она возрастает по мере приближения к аноду), а траектория его движения отличается от круговой. Данное обстоятельство позволяет утверждать, что формула (2.9.10) не точна. Тем не менее, как следует из результатов точного анализа рассматриваемой задачи, эта формула в целом удовлетворительно описывает физику процессов и с точностью до коэффициента пропорциональности является правильной.

Окончательная расчётная формула имеет вид:

, (2.9.11)

где = 0,1 м; N = 1000 витков; R_А = 5 мм; A – коэффициент, учитывающий отличие реальной траектории движения электрона в скрещенных электрическом и магнитном полях от окружности. Для нашей экспериментальной установки А=1,3.

Тщательные измерения удельного заряда и известное из опытов Милликена (1909 г.) значение величины заряда электрона позволили определить его массу и установить зависимость массы от скорости.

В принципе теми же методами определяются массы атомов и молекул. Соответствующие приборы для определения масс атомов и молекул (точнее, их ионов) носят название масс-спектрографов. Для примера можно рассмотреть принципиальное устройство одного из масс-спектрографов (рис. 8).

Сначала пучок ионов проходит через фильтр скоростей, в котором на движущиеся ионы одновременно действуют взаимно перпендикулярные электрическое и магнитное поля. Направления полей выбираются так, чтобы силы, действующие на ионы с их стороны, были противоположны по направлению. Через щель фильтра, противоположную входной, выхо­дят только те ионы, на которые действуют равные по величине силы и .

q?E = q? ?B. (2.9.12)

Следовательно, из фильтра вылетают ионы одинаковых скоростей

. (2.9.13)

При выходе из фильтра частицы попадают в магнитное поле, перпендикулярное их скорости. Траектория их движения — окружность, радиус которой зависит от удельного заряда частицы

. (2.9.14)

Попадая на фотопластинку, ионы оставляют след, расстояние которого от выходной щели фильтра зависит от удельного заряда ионов.

По найденным значениям q/m можно определить массы ионов.

В наши дни точность определения масс ионов с помощью масс-спектрографов достигают 6 —8 значащих цифр (правда, не в граммах, а по отношению к массе эталонного атома).

Масс-спектрографические методы позволяют проводить количественный анализ нефти, состоящий из молекул различных углеводородов, трудно различимых обычными химическими способами. При большой мощности ионного пучка этот метод позволяет разделять изотопы в заметных количествах.

Масс-спектрографический метод часто применяют для определения изотопного состава исследуемого вещества. В частности, он был применён при исследовании лунного грунта. Близость изотопного состава земных и лунных пород свидетельствует об одновозрастности и единстве происхождения земного и лунного вещества. По-видимому, это следует распространить и на другие космические тела солнечной системы. Исследования вещества метеоритов не противоречат такому обобщению.

Масс-спектрографы нашли широкое применение в различных областях физики, химии, техники. Они используются для определения содержания примесей в газах, для анализа состава и процентного содержания различных смесей углеводородов и т. д.

Необходимые приборы: лабораторный стенд, внутри которого смонтированы все элементы схемы; цифровой вольтметр (или осциллограф).

На рис. 9 приведена схема экспериментальной установки, которая технически реализована на лабораторном стенде с возможностью самостоятельно вручную и с управлением от внешних источников изменять параметры эксперимента.

Экспериментальная установка состоит из трёх цепей.

Цепь намагничивающей катушки состоит из соленоида, создающего однородное магнитное поле при подключении к нему источника постоянного тока ε₃, регулятора тока с внутренним и внешним управлением (коммутация осуществляется тумблером S₁) и низкоомного резистора R₅ =1 Ом, предназначенного для контроля силы тока I_сол в соленоиде по величине напряжения на этом сопротивлении.

Анодная цепь состоит из электронной лампы Л, источника постоянного тока ε₁, делителя напряжения на резисторах R₂, R₃, R₄ и последовательно включенного резистора R₁ = 1кОм, предназначенного для контроля силы тока в анодной цепи I_А, по величине напряжения на этом резисторе.

Источник

Введение

Удельным зарядом называется отношение заряда частицы к ее массе е/m.

Определив значение удельного заряда и величину заряда, подсчитывают массу частиц. Таким методом подсчитана масса электрона и других элементарных частиц.

Одним из методов определения удельного заряда является метод магнетрона. Магнетрон представляет собой двухэлектродную лампу, которая помещена в магнитное поле. Анод в этой лампе представляет собой металлический цилиндр, по оси которого натягивается нить накала – катод (рис. 1). При подогреве катода из него вылетают электроны. Вылетевшие из катода электроны образуют вокруг катода «электронное облачко». Если между катодом и анодом создать разность потенциалов, то электроны из облачка устремятся к положительно заряженному аноду. В анодной цепи лампы пойдет ток.

Если двухэлектродную лампу поместить в магнитное поле, то электрон попадет в сложное электромагнитное поле.

Известно, что на заряд, движущийся со скоростью v в магнитном поле с индукцией В, действует сила Лоренца

F = e· v ·B·sinα

Из формулы видно, что величина силы Лоренца зависит не только от значения скорости и индукции магнитного поля, но и от взаимной ориентации векторов v и В.

Сила Лоренца будет равна 0, если заряд будет двигаться вдоль линии индукции магнитного поля, и будет максимальна при движении заряда в направлении, перпендикулярном индукции магнитного поля.

В нашем случае магнетрон помещен внутри соленоида так, что созданное током в его обмотке магнитное поле параллельно оси лампы, т.е. нити накала.

При отсутствии магнитного поля электрон движется строго по радиусу от нагретого катода к аноду (рис. 2а). Если теперь пропустить ток по обмотке соленоида, то во внутренней его части возникает однородное магнитное поле. Сила, действующая на электрон в магнитном поле, отклонить электрон от прямолинейного пути. Путь электрона будет искривлен (рис. 2б). При некотором критическом значении магнитного поля электроны перестанут попадать на анод и будут двигаться по траектории, которую в первом приближении можно представить в виде окружности (рис. 2в).

Радиус этой окружности равен половине радиуса анода магнетрона.

где r – радиус траекторий движения электрона;

При движении электрона по окружности, сила Лоренца, обусловливающая это движение, является центростремительной силой и равна

Сократив обе части равенства на v, получим

(1)

В электрическом поле электрон приобретает скорость за счет разности потенциалов между анодом и катодом U = U_К – U_А. Следовательно

Отсюда можно определить скорость движения электрона

Подставим значение скорости в уравнение (1)

Решая равенство относительно , получим

(2)

Принимая во внимание, что , подставив значение r в формулу (2), получим

(3)

где

Напряженность магнитного поля соленоида определяется по формуле

(4)

Как показывает опыт, даже при малых магнитных полях анодный ток магнетрона начинает падать. Так как магнитное поле не влияет на число вылетевших из нити электронов, то постепенное падение анодного тока можно объяснить тем, что электроны вылетают из катода с различной скоростью и всегда будет некоторое число медленных, которые будут возвращаться на нить, не попадая на анод даже при малых магнитных полях.

При дальнейшем увеличении напряженности магнитного поля наступит такой момент, при котором большинство электронов, имеющих среднюю скорость, будут описывать окружность радиусом R/2 и будут возвращаться на катод. Анодный ток при этом очень быстро падает.

Зависимость анодного тока от силы тока в соленоиде, создающем магнитное поле, представлена на рис. 3. Будем считать, что формула (3) выведена для средней скорости движения электронов. Тогда в формуле Н есть то значение напряженности магнитного поля, при котором на рис. 3 получается точка перегиба.

Описание установки

В качестве магнетрона в данной работе используется кенотрон с радиусом анода R = 1,35 см = 0,0135 м. Эта лампа помещена внутри соленоида.

Обмотка соленоида питается от источника постоянного тока напряжением 50 В. Цепь соленоида собирается по схеме (рис. 4).

Анодное напряжение и напряжение накала катода подается с универсального источника питания УИП-1.

Порядок выполнения работы

1. Изучить рабочую установку.

2. Установить при помощи потенциометра в анодной цепи напряжение порядка 90 В.

Источник

Определение удельного заряда электрона ответы

Oct 7, 2019 · 5 min read

Цель работы: определить удельный заряд электрона с помощью магнетрона.

Траектория и другие характеристики движения заряженной частицы в электрическом и магнитном полях определяются конфигурацией этих полей, ориентацией вектора скорости и отношением заряда частицы к ее массе (удельным зарядом). На заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, действует сила, которую называют магнитной:

СКАЧАТЬ ЯНДЕКС ДИСКА ОТВЕТЫ

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

где q — заряд частицы; v — её скорость; B — и н дукция магнитного поля. Направлена эта сила перпендикулярно плоскости, в которой лежат векторы v и B. Модуль магнитной силы F = qvB sin a, где a — угол между векторами v и B. Если имеются одновременно электрическое и магнитное поля, то сила, действующая на заряженную частицу, называется силой Лоренца и определяется как F = q(E+v×B), где Е — напряженность электрического поля.

Существуют различные методы определения удельного заряда электрона е/т (e — абсолютная величина заряда электрона, m — его масса), в основе которых лежат законы движения электрона в электрическом и магнитном полях. Один из них — метод магнетрона (конфигурация полей в нем напоминает конфигурацию полей в магнетронах — генераторах электромагнитных колебаний сверхвысоких частот). Метод магнетрона состоит в следующем. Электронная лампа с двумя цилиндрическими коаксиальными электродами помещается

СКАЧАТЬ ЯНДЕКС ДИСКА ОТВЕТЫ

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

внутри соленоида с той же осью. При разности потенциалов между электродами возникает электрическое поле. При пропускании тока в соленоиде создается магнитное поле. Электроны эмитируются нагретым катодом (внутренним электродом). Если тока в соленоиде нет, электроны движутся радиально к аноду (внешнему электроду). Устанавливается анодный ток. При токе в соленоиде на электроны начинает действовать магнитная сила, под действием которой их траектории искривляются. При увеличении тока в соленоиде электроны перестают достигать анода. Анодный ток падает. Рассмотрим подробнее движение электрона во взаимно перпендикулярных электрическом и магнитном полях. Электрическое поле направлено радиально к оси магнетрона, магнитное поле — вдоль этой оси. Введем цилиндрическую систему координат, в которой положение электрона определяется расстоянием r от оси, полярным углом j в плоскости, перпендикулярной оси, и координатой z вдоль оси. Движение электрона в двухэлектродной лампе в магнитном поле соленоида показано на рис. 1.

СКАЧАТЬ ЯНДЕКС ДИСКА ОТВЕТЫ

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

Кинетическая энергия электрона будет равна работе сил электрического поля

где U — потенциал относительно катода точки поля, в которой находится электрон. Подставляя в (3) значение vj из (2), получаем

Вблизи анода r = ra (rа — радиус анода) и U = Ua (Ua — анодное напряжение). Для каждого значения анодного напряжения Uа при некотором значении магнитной индукции B = Вкр, которое называют критическим, скорость электрона вблизи анода станет перпендикулярной радиусу (vr = 0). Тогда уравнение (4) примет вид

Таким образом, если задано Ua и известно Вкр, можно определить е/m. Индукция B пропорциональна току в соленоиде Iс. На рис. 2 показана экспериментальная зависимость анодного тока Iа от тока в соленоиде Iс (сбросовая характеристика).

Если бы у всех электронов параметры движения были бы одни и те же, зависимость анодного тока от тока в соленоиде имела бы вид, показанный пунктирной линией. В этом случае при Iс Iкр ни один электрон не попадал бы на анод. Однако невозможно для всех электронов создать одинаковые условия движения. В эксперименте у электронов могут быть различные ВкриIкр. В результате у тока соленоида Iс существует «переходная» область значений, при которых одна часть электронов достигает анода, а другая часть — нет. При этом по мере возрастания тока Iс анодный ток Iа уменьшается. При расчетах можно взять значение критического тока Iкр, соответствующее середине самого крутого участка спада или точке перегиба графика сбросовой характеристики. Это значение будет критическим для наибольшего количества электронов. В центральной части соленоида магнитное поле можно считать однородным и магнитную индукцию рассчитывать как для центральной точки. Тогда

СКАЧАТЬ ЯНДЕКС ДИСКА ОТВЕТЫ

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

где N — число витков в соленоиде; L — его длина; D — диаметр; m0 = 4p · 10–7 Гн/м — магнитная постоянная.

На рисунке: ЭЛ — электронная лампа; С — соленоид; анодное напряжение устанавливается с помощью реостата R и контролируется вольтметром V; анодный ток измеряется миллиамперметром мA. Ток в соленоиде изменяется с помощью переменного сопротивления Rс и измеряется амперметром A. Параметры намотки соленоида: число витков N = 2006; длина L = 167 мм;

диаметр D = 62 мм. Параметры электродов лампы: радиус анода ra = 6 мм; радиус катода rк = 0,3 мм. Порядок выполнения работы 1. Установить анодное напряжение Ua = 50 В и занести в табл. 1 и 2. 2. Изменяя ток в соленоиде Iс от минимального (начального) значения до максимального через 0,1 A, снять сбросовую характеристику (зависимость анодного тока Iа от Iс). Результаты измерений занести в табл. 1. 3. Повторить пп. 2 и 3 при двух других значениях Ua (>50 В). 4. Для каждого значения Ua построить график сбросовой характеристики Iа(Iс), по графику определить критическое значение Iкр и занести в табл. 2. 5. Для каждого значения Iкр рассчитать по формуле (6) критическое значение магнитной индукции Вкр. 6. Для каждой пары Ua и Вкр вычислить по формуле (5) величину удельного заряда электрона е/m и определить среднее значение. 7. Оценить погрешность полученной величины е/m.

СКАЧАТЬ ЯНДЕКС ДИСКА ОТВЕТЫ

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

Контрольные вопросы 1. Какие силы действуют на электроны, движущиеся в электрическом и магнитном полях? Как они направлены? 2. В чём суть метода магнетрона для определения отношения e/m? 3. Что такое критическая индукция и как ее определить? 4. Влияет ли на величину Bкр изменение направления тока в соленоиде на противоположное? 5. Зависит ли величина e/m от величины анодного напряжения?

теги: гуап, физика, ответы, лабораторные, методичка, скачать, экзамен, зачет, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения

Источник