1

10.X.2013

ĆWICZENIE

NR 52

(Część I)

WYZNACZANIE e / m ELEKTRONU METODĄ

PODŁUŻNEGO POLA MAGNETYCZNEGO

I.

Zestaw przyrządów.

1.

Urządzenie do pomiaru e/m typ LIF - 04 - 025 – 1, (zawierające lampę
oscyloskopową , solenoid i woltomierz) zasilane transformatorem typ LIF - 04 -
026 – 2. Transformator o częstotliwości 50 Hz umieszczony jest w oddzielnym bloku
ze względu na konieczność zabezpieczenia lampy oscyloskopowej przed wpływem
rozproszonego pola magnetycznego.

2.

Stabilizator napięcia typ SN – 103 do zasilania obwodu solenoidu.

3.

Miernik do pomiaru natężenia prądu w solenoidzie

II.

Cel ćwiczenia: wyznaczenie stosunku e/m elektronu przy pomocy pomiarów
parametrów ruchu wiązki elektronów poruszających się w podłużnym polu
magnetycznym.

III.

Schemat układu pomiarowego:

1

2

STAB.NAP

.

-

5

+

+ -

REG. W.N.

A

4

3 6

Rys. 1

Opis przyrządu do pomiaru e/m.:

1. Połączenie z solenoidem .
2. Ekran lampy oscyloskopowej.
3. Lampka kontrolna.
4. Wyłącznik zasilania lampy oscyloskopowej.
5. Woltomierz do pomiaru napięcia przyśpieszającego.
6. Pokrętła do regulacji parametrów obrazu

IV.

Przebieg pomiarów

1.

Połączyć układ zgodnie ze schematem

2.

Włączyć urządzenie pomiarowe do sieci; po upływie około 1 min na ekranie
powinien pojawić się poziomy lub pionowy odcinek w zależności od ustawienia
przełącznika x, y zmiennego napięcia odchylającego, umieszczonego na tylnej
ścianie przyrządu.

3.

Wyregulować jasność obrazu przy pomocy pokręteł jasności, ostrości
i astygmatyzmu; unikać zbyt dużych jasności obrazu ze względu na możliwość
uszkodzenia lampy oscyloskopowej.

2

4.

Pokrętłem „amplituda x, y” przeprowadzić regulację długości świecącego odcinka
na ekranie lampy.

5.

Za pomocą pokrętła „Regulacja W.N” ustawić dowolną wartość napięcia
przyspieszającego U w przedziale od 900 do 1500 V.

6.

Włączyć do sieci stabilizator napięcia; dla danego napięcia przyspieszającego U
stopniowo zwiększać natężenie prądu I w solenoidzie do momentu przejścia
świecącego odcinka w punkt. Zanotować wartość natężenia prądu I; powtórzyć
pomiary trzykrotnie.

7.

Analogicznie pomiary wykonać dla kilku wartości napięć przyspieszających
zarówno dla pionowego jak i dla poziomego odcinka świecącego na ekranie

IV.

Opracowanie wyników:

1.

Uśrednić poszczególne wyniki pomiarów natężenia prądu I dla poszczególnych
napięć przyspieszających U i wyznaczyć niepewność bezwzględną



I.

2.

Obliczyć wartość e/m dla wszystkich napięć przyspieszających U i dla obu

badanych kierunków poziomego i pionowego (x,y) korzystając ze wzoru:

2

2

2

2

x(y)

l

B

k

U

8π

m

e









gdzie :

I







b

n

μ

B

0

B

-

wartość indukcji magnetycznej

l

-

odległość płytek odchylających od ekranu

l

x

= (22,1



0,1) cm

-

dla odchylania poziomego

l

y

= (18,3



0,1) cm

-

dla odchylania pionowego



0

= 4





10

-7

N/A

2

-

współczynnik przenikalności
magnetycznej próżni





n
b

zw

m





7200 50

-

ilość zwojów na jednostkę długości

k

-

jest krotnością ogniskowania

3.

Obliczyć niepewności względną i bezwzględną e/m (np. metodą pochodnej
logarytmicznej)

4.

Uśrednić otrzymane wyniki e/m.

V.

Tabela pomiarowa

Kierunek

odchylania

wiązki

U



U I

I

I



B



B

m

e















m

e













m

e















m

e



























m

e

m

e

[V] [V] [A] [A] [A] [T] [T]

[C/kg]

[C/kg]

[C/kg]

[C/kg]

%

3

10.X.2013

ĆWICZENIE

NR 52

(Część II)

WYZNACZENIE ŁADUNKU WŁAŚCIWEGO ELEKTRONU

METODĄ THOMSONA (METODĄ POPRZECZNEGO POLA

MAGNETYCZNEGO

I.

Zestaw przyrządów.

1.

Urządzenie do pomiaru e/m typu LO - 01

2.

Zasilacz sieciowy typ ZJ - 201

3.

Zasilacz lampy oscyloskopowej typ ZO - 501

4.

Stabilizator napięcia typ 103

5.

Stabilizator napięcia typ 111

6.

Miliamperomierz do pomiaru natężenia prądu w obwodzie cewek

7.

Woltomierz do pomiaru napięcia na płytkach odchylających

II.

Cel ćwiczenia: wyznaczenie stosunku e/m elektronu za pomocą pomiarów

parametrów ruchu wiązki elektronów poruszających się w polu magnetycznym
i elektrycznym.

III.

Wykonanie pomiarów.

1.

Połączyć układ według schematu

C1

C2

ZO-501

SN-103 SN-111

A

V

1.

Lampę oscyloskopową należy odsunąć możliwie jak najdalej od mierników układu
zasilającego, w celu uniknięcia wpływu pola magnetycznego na położenie plamki.

2.

Włączyć zasilacz lampy oscyloskopowej oraz oba stabilizatory napięcia; pokrętła
regulacji napięcia ustawić w położeniu zerowym; wyregulować jasność i ostrość plamki
oraz ustawić plamkę na środku ekranu lampy oscyloskopowej.

UWAGA ! Ograniczyć jasność plamki ze względu na wypalanie się ekranu lampy

4

3.

Regulując natężenie prądu I w obwodzie cewek (za pomocą stabilizatora napięcia SN
– 103) przesunąć plamkę w kierunku pionowym kolejno o y = 5; 10 i 15 mm; każde
przesunięcie skompensować (za pomocą stabilizatora SN-111) przykładając do
płytek odchylających odpowiednie wartości napięcia odchylającego U; wartości U i I
odczytać z mierników; dla każdego wychylenia plamki powtórzyć pomiary
trzykrotnie.

UWAGA ! Po każdym pomiarze należy powrócić z położeniem plamki na środek ekranu

(wartość prądu I w obwodzie cewek i wartość napięcia odchylającego zmniejszyć do zera).

4.

Pomiary opisane w punkcie 3 powtórzyć dla wychyleń plamki w przeciwnym
kierunku.

IV.

Opracowanie wyników:

1.

Uśrednić poszczególne wyniki pomiarów natężenia prądu I i napięcia U dla
poszczególnych wychyleń plamki i wyznaczyć niepewności bezwzględne



I oraz



U.

2.

Wyznaczyć wartość indukcji magnetycznej B oraz stosunek e/m elektronu dla
wszystkich wychyleń y ze wzorów:





2

3

2

2

2

0

a

R

R

I

n

μ

B











oraz
gdzie:



0

= 4





10

-7

N

A

2

-

- przenikalność magnetyczna próżni

n = 650



2

- liczba zwojów w cewce Helmholtza

R = ( 50



1 ) mm

- promień cewki Hemholtza

d = ( 4,0



0,1 ) mm

- odległość między płytkami odchylających

D = ( 110



1 ) mm

- średnica obszaru działania pola magnetycznego

L = ( 90



1 ) mm

- odległość ekranu od środka pola magnetycznego

a = ( 38



1 ) mm

- połowa odległości między cewkami.

3.

Obliczyć niepewności względne i bezwzględne indukcji B i stosunku e/m (np.
metodą różniczki zupełnej), przyjmując za dokładność odczytu położenia środka
plamki



y =



0,5 mm.

4.

Uśrednić wyniki e/m otrzymane dla każdej wartości wychylenia y.

V.

Proponowana tabela pomiarowa.

y



y

I

I

I



U U

U



B



B

m

e















m

e













m

e















m

e



























m

e

m

e

[mm] [mm] [A] [A] [A] [V] [V]

[V]

[T]

[T]

[C/kg]

[C/kg]

[C/kg]

[C/kg]

%

D

L

d

B

y

U

m

e

2











5

10.X.2013

ĆWICZENIE

NR 52

(Część III)

WYZNACZANIE STOSUNKU ŁADUNKU DO MASY

ELEKTRONU UPROSZCZONĄ METODĄ THOMSONA

(INNY SPOSÓB OKREŚLANIA WARTOŚCI POLA

MAGNETYCZNEGO)

I.

Zestaw przyrządów.

1.

Lampa oscyloskopowa z zasilaczem

2.

Podstawa z podziałką pod magnesy

3.

Dwa magnesy sztabkowe z oznaczeniem bieguna N

w pudełku z metalowymi zworkami. Aby zminimalizować
wpływ pola magnetycznego na układ, kiedy tego nie chcemy
(wtedy gdy odchylamy wiązkę elektronów tylko polem
elektrycznym), należy magnesy złożyć wraz z czarną
przekładką i zworkami tak jak pokazano to na zdjęciu
i odłożyć możliwie daleko od lampy oscyloskopowej

4.

Kompas (magnetometr) ze skalą kątową (igła wskazuje

kierunek wschód-zachód- w takim kierunku należy ustawić
podstawę magnesów w trakcie pomiarów)

1

2

6

II.

Przygotowanie stanowiska do pomiarów:

1.

Sprawdzić czy zasilacz lampy oscyloskopowej ma skręcone na minimum (w lewo \

2.

do oporu) trzy potencjometry w górnej części: Intensity (intensywność plamki),
Fokus (ogniskowanie), Deflection voltage (napięcie odchylające).
Dolny przełącznik Polarity +/0/-( polaryzacji) powinien być ustawiony w pozycji
neutralnej.

3.

Włączyć zasilacz i odczekać około 1 minutę, zwiększyć intensywność plamki aby

była dobrze widoczna (pokrętło Intensity), w razie potrzeby poprawić ogniskowanie
plamki (pokrętło Fokus).

4.

Za pomocą kompasu (magnetometru) wyznacz możliwie dokładnie kierunek wschód
zachód i w tym kierunku ustaw czarną podstawę magnesów. (patrz rys punkt 4 –
Zestaw przyrządów)

5.

Umieść lampę oscyloskopową w środku podstawy

nie zmieniając jej kierunku i następnie połóż na
podstawie magnesy w takiej odległości aby plamka
wychyliła się o około 1-2 cm.

6.

Przesuwając lampę oscyloskopową

do przodu i do tyłu znajdź położenie
w którym wychylenie plamki jest
maksymalne. W trakcie pomiarów lampa
oscyloskopowa i podstaw magnesów
powinny pozostawać w tym samym
położeniu

7.

Przygotuj tabelę w protokole pomiarów, jednoznacznie opisz wszystkie mierzone

wielkości i jednostki w których dokonujesz pomiary

Wychylenie

Przyłożone

napięcie

Położenie

magnesu

lewego

Położenie

magnesu

prawego

Kąt skręcenia

magnetometru

Kąt skręcenia

magnetometru

Uwagi

1

2

…

…

…

…

…

…

…

7

III.

Wykonanie pomiarów

III a. Pomiary wychyleń i warunków kompensacji

1. Sprawdzić i ustalić położenie plamki przy wyłączonym napięciu odchylającym

i odsuniętych magnesach. Plamka powinna znajdować się w samym środku lampy
oscyloskopowe, jednak ze względu na wpływy pól zewnętrznych oraz niestabilności
zasilacza to położenie może być inne. Należy je zapamiętać ponieważ będziemy
mierzyć odchylenia względne. (Pozycję na osi poziomej można wyregulować
potencjometrem z tyłu zasilacza)

2. Włączyć wybrany kierunek polaryzacji. Zwiększyć napięcie V

p

aż plamka wychyli się

do zadanej wartości (max 3,5 cm). Zapisać wartość względnego wychylenia plamki
oraz przyłożonego napięcia V

p

3. Umieścić magnesy na podstawce kropką w jedną stronę i przesuwać tak długo aż

skompensuje się wychylenie plamki do położenia wyjściowego (w razie konieczności
obróć oba magnesy). Zaleca się aby położenia magnesów były symetryczne. Zapisać
położenia magnesów magnesu lewego R

l

[cm] oraz magnesu prawego R

p

[cm] (np.

położenie bliższej w stosunku do lampy krawędzi magnesu).

4. Zdjąć i odłożyć magnesy tak by nie wpływały na bieg elektronów w lampie. Powtórzyć

pomiary dla innych wychyleń plamki i przeciwnej polaryzacji.

III b Określanie wartości indukcji pola magnetycznego

1. Wyłączyć zasilacz i odstaw lampę oscyloskopową
2. Wstawić w to miejsce kompas-magnetometr i ustawić, poprzez obrót samego kompasu,

skalę kątową tak aby wskazówki kompasu pokazywały 0. (Ustawienie podstawy
magnesów nie może ulec zmianie)

3. Umieścić magnesy w odległościach i pozycjach zanotowanych przy poprzednich

pomiarach

4. Odczytać kąty skręcenia wskazówek kompasu Ѳ

1

[°] i Ѳ

2

[°] po umieszczeniu

magnesów.

5. Zanotować wszystkie dodatkowe dane podane w instrukcji roboczej.
6. Kontrolnie obliczyć wartość pola na podstawie zależności

(2)

III c Określanie wartości indukcji pola magnetycznego bez użycia kompasu-

magnetometru (metoda alternatywna do IIIb)

1. Wyłączyć zasilacz i odstawić lampę oscyloskopową
2. Za pomocą miarki zmierzyć rozmiary magnesów D-długość, W-wysokość, S-szerokość
3. Kontrolnie obliczyć wartość pola magnesu dla danej odległości na podstawie wzoru 1

(pamiętaj, że stosowane są dwa magnesy) gdzie D-długość, W-wysokość, S-szerokość
magnesu

(1)

gdzie

jest odległością środka magnesu od lampy oscyloskopowej

8

IV. Opracowanie wyników pomiarów (sprawozdanie)

1) Przygotować tabele do obliczeń i wpisać do nich dane (stosować zapis naukowy

i jednostki podstawowe układu SI)

Dane stanowiskowe

Inne kolumny na dane jeśli potrzeba np. , , ,

(punkt IIIc)

Proponowana tabela pomiarowa (należy ją zmodyfikować jeżeli korzystamy z innej metody
określania wartości pola magnetycznego - punkt III c)

1E-2

…

…

…

…

…

…

2) Obliczyć indukcję zastosowanego pola magnetycznego ze wzoru 2 lub 3 (zależnie od

wybranej metody określania wartości indukcji-punkt IIIa lub IIIb)

(2)

lub

(3)

3)

Dla każdego pomiaru obliczyć stosunek ładunku elektronu do jego masy

gdzie:

L=(14,5±0,2) [cm],

l=(3,23±0,05) [cm],

d=(1,4±0,1) [cm],

B

z

=(23,5±0,5)[μT],

B

magnesu

=(120 ±10) [mT]

4)

Obliczyć wartość średnią e/m oraz niepewność pomiaru na podstawie odchylenia
standardowego wartości średniej.

5)

Porównać wynik z danymi tabelarycznymi.

6)

Krytycznie ustosunkować się do swego wyniku.

7)

Wskazać źródła ewentualnych błędów systematycznych, które mogły zwiększyć
niepewność pomiaru.