Экспериментальная часть

Для определения удельного заряда электрона используется экспериментальная установка, показанная на рис.1. В нее входят пара катушек Гельмгольца 1, специальная электронно-лучевая трубка 3, источник питания 2 электронно-лучевой трубки с регулируемыми напряжениями 0 – 600 В и 0 – 50 В, источник для питания катушек 4 с регулируемым напряжением 0 – 18 В, мультиметры 5, соединительные провода.

Рис.1. Внешний вид экспериментальной установки

1 - катушки Гельмгольца; 2 – источник питания электронно-лучевой трубки;

3 – электонно-лучевая трубка; 4 – источник питания катушек Гельмгольца;

5 – мультиметры.

Специальная электронно-лучевая трубка (рис.1, поз.3) заполнена аргоном при низком давлении ~ , схема ее устройства показана на рис.2. Катод электронной пушки 2 испускает вследствие термоэлектронной эмиссии электроны, которые ускоряются в ней разностью потенциалов U. При прохождении пучка электронов в аргоне создается видимое свечение фиолетового цвета, что позволяет в затемненном помещении визуализировать траекторию движения электронов.

Рис. 2. Схема устройства электронно-лучевой трубки.

1 – колба; 2 – электронная «пушка»; 3 – шкала; 4 – катушки Гельмгольца.

В отсутствии магнитного поля электронная пушка 2 формирует пучок электронов, направленный вертикально вверх. При наличии магнитного поля, создаваемого катушками Гельмгольца, траектории движения электронов представляют собой окружности. Внутри трубки располагается измерительная шкала 3, напоминающая лесенку. Поперечные перекладины шкалы покрыты флуоресцентным веществом. Если пучок электронов попадает на одну из перекладин, то на ней высвечивается зеленоватая точка, что позволяет измерить диаметр окружности, по которой движутся электроны. Согласно рис.2, он будет равен 40, 60, 80, 100 мм. Электрическая схема подключения электронно-лучевой трубки к источникам питания показана на рис.3.

Рис.3. Схема подключения электронно-лучевой трубки к источникам питания

Катушки Гельмгольца (кольца Гельмгольца), создающие магнитное поле внутри электронно-лучевой трубки, представляют собой две одинаковые катушки. Они расположены в параллельных плоскостях так, что их центры находятся на общей оси (рис.4). Катушки соединены последовательно и подключены к источнику питания (рис.1, поз.3).

Рис.4. Кольца Гельмгольца	Рис.5. Параллельные круговые витки с током

Назначение катушек Гельмгольца, несмотря на простоту конструкции, – создание с одной стороны высокооднородного магнитного поля в пределах большого объема пространства, а с другой стороны – обеспечение свободного доступа к этому пространству. Наибольший относительный объем высокооднородного поля получается, если расстояние между срединными плоскостями катушек равно их среднему радиусу. Тогда компоненты создаваемого магнитного поля в системе координат (x, y), показанной на рис.4, будут определяться следующими приближенными формулами:

(4)

где - магнитная постоянная, N – число витков в каждой катушке, I – сила тока в витке. Смысл остальных параметров определяется рис.4. Погрешности этих формул малы при таких x и y, когда поправочные члены много меньше единицы.

Обратим внимание на связь формулы для в (4) с выражением для индукции магнитного поля на оси двух одинарных круговых витков с током посредине между ними (рис.5). Элементарный расчет дает для компоненты поля посередине между витками следующее выражение

.

При l = R получаем

.

Для случая N витков в каждой катушке имеем

. (5)

Измерение напряжений, подаваемых на электронно-лучевую трубку, и силы тока, протекающего в катушках Гельмгольца, проводится с помощью двух мультиметров. Внешний вид передней панели мультиметра приведен на рис.6. Переключателем 2 рода работ выбирается тип и пределы измерений – шкалы 3 для измерения напряжения и шкалы 4 для измерения силы тока. Результаты измерений показываются на дисплее 5.

Рис.6. Передняя панель мультиметра

1 – кнопка включения; 2 – переключатель рода работ;

3 – шкала пределов измерения напряжения;

4 – шкала пределов измерения силы тока; 5 – дисплей.