1.Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest praktyczne zapoznanie się ze zjawiskami ruchu elektronów w polu elektrycznym i magnetycznym oraz z metodami wyznaczania stosunku e/m elektronu.
2. Wstęp teoretyczny i układy pomiarowe.
2.1 Metoda poprzecznego pola magnetycznego (metoda Tohomsona).
W metodzie tej odchylenie wiązki elektronów w poprzecznym polu magnetycznym kompensuje się za pomocą poprzecznego pola magnetycznego. Wiązka elektronów po odchyleniu w polu magnetycznym o kat j zostawia świecący ślad na ekranie luminescencyjnym S w odległości y od jego środka. Jednorodne pole magnetyczne o indukcji B, skierowane prostopadle do płaszczyzny rysunku, ograniczone jest do obszaru kołowego o średnicy l. zakładając, ze kat j jest mały, możemy napisać:
y = (L - 0.5)j = (L - 0.5) l / r
gdzie L jest odległością ekranu od punktu wejścia elektronu w obszar pola. Po podstawieniu do powyższego wzoru wartość r według wzoru:
otrzymamy:
Wychylenie y można skompensować, tzn. sprowadzić wiązkę z powrotem do kierunku początkowego za pomocą poprzecznego pola elektrycznego. Pole elektryczne wytwarza się przez przyłożenie napięcia do pary płytek odchylających, umieszczonych w obszarze działania pola magnetycznego. Aby kierunki odchylania wiązki elektronów przez oba pola pokrywały się, linie pola elektrycznego musza być prostopadle do linii pola magnetycznego. Jeżeli wychylenie y wiązki elektronów w polu magnetycznym zostanie skompensowane przez wychylenie (-y) tejże wiązki w polu elektrycznym, to w obszarze działania obu pol. musi być spełniony związek
Wynika stad równość
e v B = e E
czyli
Podstawiając otrzymana wartość v do wzoru
otrzymujemy:
a stad
2.2 Metoda podłużnego pola magnetycznego.
Gdy elektron porusza się z prędkością v wzdłuż osi x równoległej do kierunku jednorodnego pola magnetycznego B, wówczas zgodnie ze wzorem
i pole magnetyczne nie wpływa na jego ruch. Jeżeli jednak w pewnym punkcie A osi x elektron uzyska niewielka składowa poprzeczna prędkości Dv, to tor jego ruchu z prostoliniowego zmieni się w spiralny. Ruch elektronu będzie wtedy superpozycja ruchu jednostajnego prostoliniowego z prędkością v wzdłuż osi x z okresem obiegu T zgodnie ze wzorem.
Po wykonaniu pełnego obiegu tzn. po czasie T, elektron przeniesie os x w punkcie A'. Odległość AA'=l wynosi
Wartość składowej poprzecznej prędkości Dv nie ma wpływu na długość odcinka l. Inne elektrony podążające wzdłuż osi x z prędkością v, mimo ze mogą uzyskać w punkcie A rożne wartości Dv i poruszać się w związku z tym dalej po spiralach o różnych promieniach, przetną os x również w punkcie A'.
Nastąpi zatem zogniskowanie elektronów w punkcie A'. Położenie punktu A' na osi x zależy ponadto od wartości B. Można zatem przez zmianę wartości B spowodować zogniskowanie elektronów w zadanym punkcie. Prędkość poprzeczna Dv nadaje się elektronom przez położenie zmiennego napięcia do pary płytek odchylających P 1P 2 , położonych symetrycznie względem punktu A. Prędkość podłużną v uzyskują elektrony w polu wyrzutni elektronowej. Prędkość te można wyrazić przez napięcie przyśpieszające U.
P 1
Δv A'
x
A
P 2 l
3.Opis i schemat układu pomiarowego.
3.1 Układ do pomiaru e/m metoda poprzecznego pola magnetycznego.
Do wytwarzania wiązki elektronów śluzy lampa oscyloskopowa L, zasilana ze źródła ZO. Pole magnetyczne jest wytwarzane przez dwie cewki Helmholtza C1 i C2 ustawione symetrycznie po obu stronach lampy. Natężenie prądu I płynącego przez cewki mierzy się za pomocą amperomierza A. Pole elektryczne wytwarza się miedzy płytkami odchylania pionowego lampy oscyloskopowej, przez przyłożenie napięcia U z zasilacza regulowanego SN. Do pomiaru tego napięcia służy woltomierz V. Po włączeniu zasilania lampy oscyloskopowej i wstępnym wyregulowaniu jasności, ostrości i położenia zerowego plamki świetlnej na ekranie, należy włączyć prąd do obwodu cewek i regulując jego natężenie I przesunąć plamkę o zadana wartość y. Następnie przesunięcie to należy skompensowac przez doprowadzenie do płytek odchylających odpowiednio dobranej wartości napięcia U, przy którym plamka powróci w położenie zerowe. Pomiary wartości I oraz U należy wykonać dla kilku wybranych wartości y. Indukcje matematyczna B w obszarze środkowym miedzy cewkami Helmholtza oblicza się ze wzoru:
Natężenie pola elektrycznego E wyraża wzór:
gdzie:
n - ilość zwojów w cewce (650)
R - promień cewki (50*1mm)
d - odległość płytek odchylających (5,0*0,1mm)
l - średnica obszaru działania pola magnetycznego (11*1mm)
L - odleg*o** ekranu od punktu wejścia elektronów w pole magnetyczne (90*1mm)
y - dokładność odczytu położenia plamki (.....*0,5mm)
U - napięcie odchylające
Stosunek e/m wyznaczamy ze wzoru:
3.2 Układ do pomiaru e/m metoda podłużnego pola magnetycznego.
Elektrony emitowane z katody lampy oscyloskopowej są przyspieszane i uformowane w wiązkę przez system elektrod wyrzutni elektronowej. Przechodząc miedzy para płytek odchylających P1 i P2 pod wpływem przyłożonego zmiennego napięcia odchylającego U1 , elektrony uzyskują składowa poprzeczna prędkości i wytwarzają na ekranie świecący odcinek długość tego odcinka jest proporcjonalna do amplitudy napięcia odchylającego.
Po włączeniu prądu w obwodzie solenoidu i w miarę zwiększania jego natężenia świecący odcinek na ekranie ulega coraz większemu skręceniu i skróceniu. Przyczyna tego zjawiska jest zmiana torów elektronów z prosto liniowych na tory spiralne. Regulując natężenie prądu w solenoidzie można osiągnąć zredukowanie śladu wiązki elektronów na ekranie do punktu.
W tych warunkach zastosowanie wzoru
z uwzględnieniem wzoru
pozwala na wyznaczenie stosunku e/m elektronu. Wzór końcowy ma postać:
gdzie:
n/b - liczba zwojów na jednostkę długości solenoidu (7200*50zw/m),
I x - odleg*o** p*ytek odchylaj*cych od ekranu (22,1cm),
I y - odleg*o** p*ytek odchylaj*cych od ekranu (18,3cm).
W czasie ćwiczenia mogliśmy zaobserwować, że zwiększając napięcie przyśpieszające doprowadziliśmy do pojawienia się trzech plamek na ekranie. Było to efektem zwiększenia się okresu obiegu elektronu przez co wzór na okres miał postać ,a odległość AA' miała wzór , natomiast wzór końcowy .
Te wzory są dla drugiej plamki tzn. gdy okres zwiększył się dwa razy, analogicznie wyznaczyłem wzór dla trzeciej plamki (T zwiększył się 3-krotnie) i miał postać . .
4. Spis przyrządów pomiarowych.
Do metody Thomsona:
- urządzenie do pomiaru e/m typu LO-01,
- zasilacz sieciowy typ ZJ-201,
- zasilacz lampy oscyloskopowej typ 20-501,
- stabilizator napięcia typ 111,
- miliamperomierz LM-3 kl.0,5,
- woltomierz LM-3 kl.0,5.
Do metody podłużnego pola magnetycznego:
- urządzenie do pomiaru e/m typ LIF-04-025-1 (zawierające lampę oscyloskopową, solenoid, woltomierz - kl.1,5 ),
- miliwoltomierz kl.0,5,
- zasilacz prądu stałego do zasilania obwodu soleniodu typ SN-103,
5. Tabele pomiarowe.
Metoda poprzecznego pola magnetycznego.
Odchyl. [mm] |
Izak [mA] |
Ix [mA] |
δIx [%] |
Uzak [V] |
Ux [V] |
δUx [%] |
B [H] |
δB [%] |
e/m |
δ e/m |
5 |
15 |
11,75 |
0,64 |
15 |
12,2 |
0,62 |
274,7⋅10-6 |
2,64 |
1,74⋅1011 |
28,1 |
10 |
30 |
23,5 |
0,64 |
30 |
26 |
0,58 |
549,4⋅10-6 |
2,64 |
1,85⋅1011 |
23,06 |
15 |
75 |
33 |
1,14 |
75 |
37,5 |
1,00 |
771,5⋅10-6 |
3,13 |
2,03⋅1011 |
22,8 |
20 |
75 |
43,5 |
0,87 |
75 |
49 |
0,77 |
1,017⋅10-3 |
2,86 |
2,04⋅1011 |
21,19 |
Wartość średnia |
0,83 |
|
|
0,75 |
653,1⋅10-6 |
2,82 |
1,92⋅1011 |
23,79 |
||
- odwrotna polaryzacja,
Odchyl. [mm] |
Izak [mA] |
Ix [mA] |
δIx [%] |
Uzak [V] |
Ux [V] |
δUx [%] |
B [H] |
δB [%] |
e/m |
δ e/m |
|
5 |
15 |
10,5 |
0,72 |
15 |
11,75 |
0,64 |
245,48⋅10-6 |
2,72 |
2,10⋅1011 |
28,28 |
|
10 |
30 |
24 |
0,63 |
30 |
24 |
0,63 |
564,09⋅10-6 |
2,65 |
1,64⋅1011 |
23,13 |
|
15 |
75 |
35,5 |
1,06 |
75 |
34,5 |
1,09 |
829,94⋅10-6 |
3,05 |
1,62⋅1011 |
22,72 |
|
20 |
75 |
47 |
0,80 |
75 |
45 |
0,84 |
1,098⋅10-3 |
2,8 |
1,60⋅1011 |
21,14 |
|
Wartość średnia
|
0,81 |
|
|
0,8 |
684,4⋅10-6 |
2,81 |
1,74⋅1011 |
23,82 |
|||
Metoda podłużnego pola magnetycznego.
- dla toru X
U |
[V] |
700 |
800 |
1000 |
1100 |
1300 |
1500 |
Wart. |
|
Ix [mA] |
305 |
310 |
328 |
320 |
320 |
330 |
śred. |
|
B [H] |
2,76⋅10-3 |
2,8⋅10-3 |
2,96⋅10-3 |
2,89⋅10-3 |
2,89⋅10-3 |
2,98⋅10-3 |
2,88⋅10-3 |
1 |
δ B [%] |
1,92 |
1,9 |
1,84 |
1,87 |
1,87 |
1,83 |
1,87 |
|
e/m |
1,49⋅1011 |
1,64⋅1011 |
1,84⋅1011 |
2,12⋅1011 |
2,5⋅1011 |
2,72⋅1011 |
2,05⋅1011 |
|
δ e/m [%] |
7,06 |
6,62 |
5,93 |
5,78 |
5,46 |
5,16 |
6,01 |
|
Ix [mA] |
640 |
660 |
695 |
700 |
725 |
745 |
|
|
B [H] |
5,79⋅10-3 |
5,97⋅10-3 |
6,28⋅10-3 |
6,33⋅10-3 |
6,66⋅10-3 |
6,74⋅10-3 |
6,28⋅10-3 |
2 |
δ B [%] |
1,28 |
1,26 |
1,23 |
1,23 |
1,21 |
1,2 |
1,23 |
|
e/m |
8,44⋅109 |
9,07⋅109 |
1,02⋅1010 |
1,11⋅1010 |
1,22⋅1010 |
1,33⋅1010 |
1,07⋅1010 |
|
δ e/m [%] |
5,78 |
5,34 |
4,72 |
4,51 |
4,15 |
3,9 |
4,73 |
|
Ix [mA] |
900 |
925 |
960 |
975 |
1000 |
1025 |
|
|
B [H] |
8,14⋅10-3 |
8,36⋅10-3 |
8,63⋅10-3 |
8,82⋅10-3 |
9,04⋅10-3 |
9,27⋅10-3 |
8,72⋅10-3 |
3 |
δ B [%] |
1,11 |
1,1 |
1,09 |
1,08 |
1,07 |
10,6 |
1,08 |
|
e/m |
1,9⋅109 |
2,05⋅109 |
2,38⋅109 |
2,54⋅109 |
2,85⋅109 |
3,13⋅109 |
2,48⋅109 |
|
δ e/m [%] |
5,44 |
5,01 |
4,42 |
4,2 |
3,87 |
3,62 |
4,43 |
- dla toru Y
U |
[V] |
700 |
800 |
900 |
1100 |
1300 |
1500 |
Wart. |
|
Ix [mA] |
400 |
405 |
420 |
450 |
460 |
480 |
śred. |
|
B [H] |
3,62⋅10-3 |
3,6610-3 |
3,86⋅10-3 |
4,07⋅10-3 |
4,17⋅10-3 |
4,34⋅10-3 |
3,94⋅10-3 |
1 |
δ B [%] |
1,63 |
1,62 |
1,59 |
1,53 |
1,51 |
1,48 |
1,56 |
|
e/m |
1,26⋅1011 |
1,40⋅1011 |
1,46⋅1011 |
1,56⋅1011 |
1,77⋅1011 |
1,87⋅1011 |
1,56⋅1011 |
|
δ e/m [%] |
6,48 |
6,05 |
5,67 |
5,1 |
4,75 |
4,45 |
5,41 |
|
Ix [mA] |
825 |
862,5 |
887,5 |
950 |
1000 |
1050 |
|
|
B [H] |
7,46⋅10-3 |
7,8⋅10-3 |
8,03⋅10-3 |
8,56⋅10-3 |
9,04⋅10-3 |
9,50⋅10-3 |
8,42⋅10-3 |
2 |
δ B [%] |
1,15 |
1,13 |
1,12 |
1,09 |
1,07 |
1,07 |
1,11 |
|
e/m |
7,41⋅109 |
7,74⋅109 |
8,23⋅109 |
8,78⋅109 |
9,36⋅109 |
9,8⋅109 |
8,55⋅109 |
|
δ e/m [%] |
5,51 |
5,07 |
4,73 |
4,22 |
3,87 |
3,6 |
4,50 |
6. Przykładowe obliczenia.
[H]
[C/kg]
7. Uwagi i wnioski.
Istotną rolę w metodzie podłużnego pola magnetycznego odgrywa wielko** plamki świetlnej. Im będzie ona mniejsza i bardziej zbli*ona do punktu tym pomiar będzie dok*adniejszy, gdy* ustawienie zerowego poło*enia plamki oraz przesuni*cie plamki o zadan* odległo** będzie dokładniejsze.
Na dokładność uzyskanych wyników będzie miął tez wpływ rozkład pola magnetycznego. Związek Fm + Fe = 0 będzie spełniony tylko wtedy gdy linie pola magnetycznego będą prostopadle do linii pola elektrycznego. Wszystkie wzory opierają się na tym właśnie założeniu, wiec rozkład pola magnetycznego będzie miał istotny wpływ na dokładność pomiaru.
Wartości odległości płytek odchylających, średnicy działania pola magnetycznego, a także wspomniana dokładność odczytu plamki na ekranie podane w opisie ćwiczenia sprawiły głównie, że wartość e/m jest obarczona tak wielkim błędem, bo ok. 23%, w metodzie poprzecznego pola magnetycznego.
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Lab.Fiz II 5, MIBM WIP PW, fizyka 2, laborki fiza(2), 52-Badanie promieniowania rentgenowskiego
Fiz Lab 52
F 52 Rozkład stałej Planca, dc, GPF, Fizyka lab, STARE, GOTOWE SPRAWOZDANIA Z FIZ, GOTOE SPRAWOZDANI
W 4 S 52(APP 2)KOLORY I SYMBOLE
5 3 FIZJOLOGIA W FIZ
Fiz kwantowa
52 53
mat fiz 2008 10 06
52 Piersiala Logistyka odzysku
52 Pan Samochodzik i Szaman
9, dokumentacja pracy fiz, diagnostyka fizj, problemy i ich rozwiazywane zwiazane z plananem
PJM Poziom A2 Strona 52
11 2003 51 52
CM 52 ProductDefinition oct2011
więcej podobnych podstron