Вказівки до виконання роботи

Для виконання роботи необхідно вивчити такий теоретичний матеріал: сила Лоренца; рух заряджених частинок в електричному та магнітному полях [1, §§ 113, 114; 3, § 43, 72, 73, 75].

 

Відомо, що на заряджену частинку, яка рухається у магнітному полі, діє сила Лоренца:

, або ,             (3.6.1)

де q, υ – відповідно заряд та швидкість рухомої частинки;

a - кут між напрямками векторів швидкості  та магнітної індукції .

Рух зарядженої частинки в електричному та магнітному полях залежить, крім величини заряду, і від маси. Тому важливою характеристикою частинки є відношення q/m, яке називають питомим зарядом. Для визначення питомого заряду електрона e/m розглянемо його рух в однорідному магнітному полі.

Якщо електрон із швидкістю  влітає в однорідне магнітне поле під прямим кутом, то він буде рухатись по колу. У цьому випадку сила Лоренца спричиняє доцентрове прискорення, тобто  або:

.                              (3.6.2)

Звідси випливає, що

.                                   (3.6.3)

Для експериментального визначення питомого заряду електрона користуються спеціальною електронною лампою з циліндричними катодом та анодом, що розміщена в середині соленоїда, причому осі соленоїда та лампи співпадають. При відсутності магнітного поля електрони від катоду К рухаються до аноду А за прямолінійними траєкторіями (рис.3.6.1, а).

Розподіл потенціалу електричного поля у проміжку між катодом та анодом відповідає показаному на рис. 3.6.2. Тому можна вважати, що електрони, які вилетіли з катоду, на дуже малій порівняно з радіусом анода відстані, набувають швидкості , яка далі практично не змінюється, тобто електрони рухаються за інерцією. Цю швидкість можна виразити з формули, прирівнюючи роботу електричного поля лампи та кінетичну енергію електронів:

,                                  (3.6.4)

де U₀ – анодна напруга.

У разі протікання по обмотці соленоїда постійного струму І всередині виникає магнітне поле з індукцією:

;                                  (3.6.5)

де n – число витків на одиницю довжини соленоїда.

При наявності магнітного поля у проміжку катод – анод траєкторії електронів викривляються (рис.3.6.1, б). При деякому критичному значенні індукції магнітного поля траєкторія руху електрона перетворюється на коло (рис.3.6.1, в) і струм в анодному колі стає рівним нулю.

Залежність анодного струму від індукції магнітного поля повинна мати вигляд суцільної лінії, зображеної на рис.3.6.3. Оскільки електрони вилітають з катоду з різними швидкостями, дійсна залежність має вигляд, зображений на рис.3.6.3 пунктирною лінією, тобто струм буде спадати поступово. В момент спаду анодного струму радіус кола, по якому рухаються електрони,

.

Використовуючи (3.6.3) – (3.6.5) з урахуванням (3.6.6), отримуємо:

,                                (3.6.7)

або

.                      (3.6.8)

Таким чином, дослід для визначення e/m зводиться до визначення залежності анодного струму від струму, що протікає по ситках соленоїда. Критична сила струму вибирається так. На осі ординат (рис.3.6.4) знаходимо точку А, яка відповідає половині початкового струму І_а. З цієї точки паралельно до осі абсцис проводимо пряму до перетину з графіком у точці С. Проектуємо точку С на вісь абсцис, знаходимо критичне значення сили струму І_кр.

Схему лабораторної установки наведено на рисунку 3.6.5. Вона складається з електронної лампи Л, двох потенціометрів П1 та П2, двох блоків живлення, вольтметра, амперметра та міліамперметра. Потенціометр П1 змінює силу струму соленоїда яка вимірюється амперметром А. Потенціометр П2 змінює анодну напругу яка вимірюється вольтметром V. Міліамперметр вимірює анодний струм.

Хід роботи

1. Зібрати схему, зображену на рис. 3.6.5.

2. Встановити анодну напругу U_a1. (U_a1 та U_a2 вказує викладач).

3. Виміряти анодний струм І_а при різних значеннях струму соленоїда І_а (скидну характеристику).

4. Встановити U_a2. Повторити пункт 3 для U_a2.

5. Результати занести до таблиці 3.6.1.

6. Побудувати графіки залежності анодного струму від струму соленоїда І_а=f(І_с). (Графіки будувати на одній діаграмі).

7. За графіками визначити критичні сили струму І_кр.

8. За формулою (3.6.8) розрахувати питомий заряд електрона в обох випадках, а також середнє значення з двох дослідів.

9. Отриманий результат питомого заряду електрона порівняти з табличними даними.

Таблиця 3.6.1

№ пор.	Анодна напруга Uа, В	Анодний струм Іа, мА	Струм соленоїда Іс, А

Контрольні запитання

1. Дія магнітного поля на рухому заряджену частинку.

2. Як визначити напрямок сили Лоренца? Чи здійснює сила Лоренца роботу?

3. Яка причина викривлення траєкторії електрона? В якому разі анодний струм дорівнює нулю (І_а=0)?

4. Як розподілений потенціал в електричному полі, що створюється між нитковидним катодом та циліндричним анодом?

5. З яких міркувань виводиться формула для визначення e/m?

6. Що називається скидною характеристикою?

7. Чому на графіку скидної характеристики відсутній вертикальний спад?