Ćwiczenie nr 10. (51) Pomiar ładunku właściwego e/m elektronu.
str. 1.
Ćwiczenie nr 10 (51)
Pomiar ładunku właściwego e/m elektronu.
Cel ćwiczenia:
Wyznaczenie stosunku e/m dla elektronu z odchylenia w polu magnetycznym.
Zagadnienia teoretyczne:
Ruch elektronu w polu elektrycznym i magnetycznym.
Pole magnetyczne prądu elektrycznego.
Lampa oscyloskopowa, budowa i zasada działania.
Pytania kontrolne:
1. Na czym polega zjawisko termoemisji?
2. Jak określa się kierunek siły Lorentza?
3. Jaki wpływ może mieć na pomiary pole magnetyczne ziemskie?
Literatura:
B. Jaworski, A. Dietłaf, Kurs fizyki, t. II, PWN, W-wa, 1976, str. 317-346.
Sz. Szczeniowski, Fizyka doświadczalna, cz. III, PWN, W-wa, 1966, str. 150-159, 271-281.
H. Szydłowski, Pracownia fizyczna, PWN, W-wa, 1966, str. 470-476.
Wprowadzenie.
Na elektron wpadający do pola magnetycznego o indukcji B pod pewnym kątem do jego linii
sił, działa siła odchylająca Lorentza:
=
x
(1)
Siła Lorentza nie zmienia wartości prędkości elektronu, jest skierowana prostopadle do kierunku
jego prędkości, zatem nie wykonuje pracy. Powoduje jedynie zakrzywienie toru elektronu, jest wiec
siła dośrodkowa, równa:
Jeśli elektron porusza się prostopadle do linii sił pola, to siła
B
ev
F
L
powoduje zakrzy-
wienie toru elektronu, bez zmiany wartości jego prędkości. Jest więc siłą dośrodkową równą:
r
mv
F
d
2
(2)
gdzie: r - promień krzywizny odchylonego elektronu.
Z porównania sił otrzymujemy:
B
v
m
e
(3)
Ćwiczenie nr 10. (51) Pomiar ładunku właściwego e/m elektronu.
str. 2.
Doświadczenie nasze wykonujemy przy pomocy lampy oscyloskopowej umieszczonej w polu
magnetycznym o indukcji B. Źródłem pola magnetycznego jest zwojnica. Elektron wyemito-
wany z katody porusza się w polu elektrycznym między katodą i anodą. Praca, jaką wykonuje
pole elektryczne nad elektronem, równa się liczbowo energii kinetycznej uzyskanej przez
elektron:
eU
mv
2
2
(4)
stąd:
m
eU
v
2
(5)
Wartość indukcji magnetycznej B zwojnicy obliczamy ze wzoru:
H
R
In
B
5
5
8
0
(dla cewek Helmholtza)
(6)
natomiast promień krzywizny r elektronu w polu magnetycznym wyrazić możemy przez od-
chyleniec plamki oraz odległość l. Stosując twierdzenie Pitagorasa otrzymamy:
(7)
Podstawiając wzory (5), (6) i (7) do wzoru (3) otrzymamy ostateczną postać wzoru na szuka-
ną wartość stosunku e/m:
2
2
2
2
2
2
2
0
2
)
(
32
l
y
I
y
n
UR
m
e
(dla cewek Helmholtza)
(8)
Współczynnik
2
2
0
2
8
32
n
UR
stanowi stałą aparaturową. We wzorze (8) mamy:
U [V] - napięcie między katodą i anodą lampy oscyloskopowej,
y [m] - wielkość odchylenia plamki na ekranie lampy,
R [m] - promień zwojnicy,
n - ilość zwoi zwojnicy,
I [A] - natężenie prądu zwojnicy,
l [m] - odległość anoda-ekran.
Zob. Rysunek 1.
A.
Przebieg ćwiczenia.
1. Przewód koncentryczny układu (od anody lampy oscyloskopowej) łączymy z zasilaczem
wysokiego napięcia.
2. Gniazda oznaczone symbolem (1) łączymy z zasilaczem niskiego napięcia (KP 16102 -
zasilanie obwodów lampy oscyloskopowej).
3. Gniazda oznaczone symbolem (2) łączymy z zasilaczem prądu stałego (TYP 5352 M), zasi-
lającym zwojnicę wytwarzającą pole magnetyczne.
Ćwiczenie nr 10. (51) Pomiar ładunku właściwego e/m elektronu.
str. 3.
4. Włączyć zasilacz niskiego napięcia (KP 16102) oraz zasilacz wysokiego napięcia. Na zasilaczu
wysokiego napięcia ustawić pokrętło polaryzacji na"+" i ustawić żądane napięcie,
5. Pokrętłami regulacji ostrości i jaskrawości regulujemy aż do uzyskania plamki na
ekranie o jak najmniejszych rozmiarach i poświacie.
6. Pomiary wykonujemy dla prądów zwojnicy przy nastawach zasilacza: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 i 8 A i
napięciach ok. 1000, 1400 i 1800 V.
Za każdym razem dokonujemy odczytu trzech wielkości:
U – napięcia między katodą i anodą lampy oscyloskopowej,
I – natężenia prądu zwojnicy,
y – wielkość wychylenia plamki na ekranie lampy.
Należy zanotować klasy i zakresy pomiarowe używanych mierników wskazówkowych oraz wzory na
obliczenie błędu pomiaru dla mierników cyfrowych.
Rys. 1. Ruch elektronu w lampie oscyloskopowej umieszczonej w polu o indukcji B.
Wyniki zanotować w tabeli.
Ćwiczenie nr 10. (51) Pomiar ładunku właściwego e/m elektronu.
str. 4.
Tabela 1. Wyniki pomiarów i obliczeń.
Lp.
U
[V]
I
[A]
y
[m]
[C/kg]
[C/kg]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
ΔU =
ΔI =
Δy =
=
Opracowanie wyników.
1. Korzystając z równania (2) obliczyć wartości e/m, następnie obliczyć wartość średnią i
wartości bezwzględne odchyleń od średniej dla poszczególnych pomiarów zgodnie z Tab. 1.
2. Obliczyć błąd przeciętny
3. Dla jednego z pomiarów obliczyć błąd maksymalny.
4. Błąd przeciętny ∆
p
obliczamy ze wzoru:
4. Błąd maksymalny ∆
m
:
7. Porównać otrzymana wartość
z wartością z tablic fizycznych.
Wielkości stałe:
Ćwiczenie nr 10. (51) Pomiar ładunku właściwego e/m elektronu.
str. 5.
Ćw.10. (51). Pomiar ładunku właściwego e/m elektronu
Protokół pomiarowy
Ćw. 51.
Laboratorium z fizyki
Rok akadem.:
Temat:
Pomiar ładunku właściwego e-m elektronu
Kierunek:
Grupa:
Imię i Nazwisko:
Ocena
Data Zaliczenia
Podpis
L
S
K
Tabela 1. Wyniki pomiarów i obliczeń.
Lp.
U
[V]
I
[A]
y
[m]
[C/kg]
[C/kg]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
ΔU =
ΔI =
Δy =
=