Rok i kierunek studiów: I Inżynieria bezpieczeństwa |
Imię i nazwisko: Ewa Grzech |
Data: 06.03.2012 |
|---|---|---|
Numer ćwiczenia: 2 |
Temat ćwiczenia: Wyznaczanie stosunku e/m ładunku elektronu do jego masy metodą magnetronu. |
Ocena: |
WSTĘP TEORETYCZNY
Postulat istnienia ładunku elementarnego został potwierdzony doświadczalnie na przełomie ubiegłego wieku. Najpierw J.J. Thomson wykazał, że stosunek ładunku do masy (e/m) jest stały i wynosi 1,7*1011[C/kg]. Natomiast sam ładunek elementarny wyznaczył R.A. Millikan. Podstawą metod doświadczalnych wyznaczania ładunku właściwego elektronu e/m są badania nad ruchem elektronu w polach elektrycznym i magnetycznym.
W opisywanym doświadczeniu ładunek właściwy elektronu wyznaczono przy pomocy magnetronu. Magnetrony są to lampy dwuelektrodowe, o cylindrycznej anodzie, z centrycznie ustawioną względem anody katodą. Lampę umieszcza się współosiowo w jednorodnym, równoległym do osi lampy polu magnetycznym wytworzonym przez nawinięty na nią solenoid. Po przyłączeniu do magnetronu odpowiednich napięć, elektrony na skutek termoemisji są emitowane przez katodę i przyśpieszane w polu elektrycznym. Linie sił tego pola są skierowane wzdłuż promienia lampy, czyli biegną promieniście od anody do katody.
Ze strony pól elektrycznego i magnetycznego na poruszające się elektrony działa siła Lorentza. Jeżeli przez cewkę nie płynie prąd, to indukcja magnetyczna B=0 i elektrony biegną promieniście do anody. Ze wzrostem wartości indukcji magnetycznej elektrony poruszają się po spiralach o coraz mniejszym promieniu krzywizny. Przy pewnej krytycznej indukcji magnetycznej Bkr tory elektronów nie osiągają anody i natężenie prądu anodowego zaczyna się stopniowo zmniejszać. Teoretycznie powinien nastąpić zanik prądu anodowego, jednak elektrony posiadają różne prędkości, a więc w sytuacji krytycznej tylko część elektronów będzie zawracać w kierunku katody, a elektrony wolniejsze będą po torach rozwijających się spiral docierać do anody.
CEL I WYKONANIE ĆWICZENIA
Wyznaczenie ładunku właściwego elektronu z pomiarów parametrów ruchu wiązki elektronów poruszających się w polu magnetycznym. Ładunkiem nazywamy stosunek wartości bezwzględnej ładunku elektrycznego elektronu do jego masy spoczynkowej i oznaczamy przez e/m.
1. Lampę umieścić wewnątrz solenoidu, którego zwoje są zasilane prądem stałym. Linie pola magnetycznego są równoległe go osi cylindrycznych elektrod lampy. Potencjometr R1 służy do regulacji naprężenia prądu płynącego przez solenoid, co prowadzi do zmiany natężenia pola magnetycznego w solenoidzie. Indukcja magnetyczna B związana jest x natężeniem prądu solenoidu Is zależnością : B=µonIs gdzie: µo jest przenikalnością magnetyczną próżni i wynosi 4π*10-7 H/m, a n-liczba zwojów.
2. Po włączeniu i odczekaniu ok. 5 min, ustaleniu się wartości naprężenia prądu anodowego Is, potencjometrem R2 ustalić wartość napięcia anodowego Ua=4V.
3. Zmieniać wartość natężenia prądu solenoidu w zakresie 0−0,75A i odczytywać wartości natężenia prądu anodowego.
4. Pomiary powtarzać dla wartości napięcia anodowego Ua=6V, 8V i 10V.
TABELA POMIARÓW
| Napięcie anodowe |
|---|
| Va=4V |
| Prąd solenoidu Is[A] |
| 0,054 |
| 0,101 |
| 0,145 |
| 0,184 |
| 0,252 |
| 0,296 |
| 0,326 |
| 0,361 |
| 0,392 |
| 0,421 |
| 0,443 |
| 0,465 |
| 0,484 |
| 0,504 |
| 0,519 |
| 0,555 |
| 0,578 |
| 0,594 |
| 0,633 |
| 0,672 |
| 0,69 |
| 0,729 |
| 0,751 |
OBLICZENIA
Natężenie krytyczne prądu solenoidu odczytane z wykresu:
| Ua1=4V | Ik1=0,410 |
|---|---|
| Ua2=6V | Ik2=0,445 |
| Ua3=8V | Ik3=0,525 |
| Ua4=10V | Ik4=0,565 |
Obliczanie dla każdego Ua stosunek :
Obliczanie e/m dla poszczególnych wartości Ua:
gdzie:
N – całkowita ilość zwojów solenoidu: 4164
l – długość solenoidu: 0,235[m]
r = 0,8*10-3 m
r – promienia okręgu stycznego
μ0 – przenikalność magnetyczna w próżni wynosi: 4π*10-7 H/m
Ua=4V i Ik=0,410
Ua=6V i Ik=0,445
Ua=8V i Ik=0,525
Ua=10V i Ik=0,565
RACHUNEK NIEPEWNOŚCI
Obliczanie niepewności wzorcowania amperomierza:
Niepewność całkowita e/m:
RYSUNKI
WNIOSKI
Z wyników doświadczenia umieszczonych w tabeli wynika wyraźnie , wzrost prądu solenoidu powoduje spadek prądu anodowego triody . Spowodowane jest to wzrostem natężenia prądu w solenoidzie , co pociąga za sobą wzrost natężenia pola magnetycznego . Ponieważ pole wytworzone przez solenoid przenika przez triodę zatem na elektrony poruszające się w triodzie działa siła Lorentza ulegają one zatem odchyleniu przy czym wartość zakrzywienia toru jest proporcjonalna do wartości wytworzonego przez solenoid pola .
Na błąd pomiarowy miała wpływ wartość odczytu z amperomierza, ponieważ wartości natężenia prądu wahały się.