Установка и методика измерений

Исследуемый пучок электронов формируется в электронно-лучевой трубке, вынесенной из блока осциллографа ЭО-6М. Между катодом и анодом трубки приложена разность потенциалов U. Через отверстие S (рис. 1) электроны попадают в электрическое поле ε, которое развертывает их врасходящийся пучок. Достигая экрана трубки, электроны создают светящееся пятно, размеры и яркость которого можно изменять в не­которых пределах.

Осциллографическая трубка помещается внутрь достаточно длинного соленоида, питаемого током от выпрямителя. Сила тока регулируется при помощи автотрансформатора и измеряется амперметром. Величина индукции магнитного поля В внутри соленоида определяется по формуле для системы СИ

, (9)

где n – число витков соленоида на 1 м.

Порядок выполнения работы

Включают блок осциллографа ЭО-6М. Фиксируют светящееся пятно в центреэкрана трубки и ограничивают его диаметр в пределах 1 - 2 см, Затем включают соленоид и, регулируя ток, добиваются фокусировки электронного пучка на экране. Записывают значение силы I₁ в А. Измерения повторяют не менее 5 раз.

Дальнейшее увеличение тока, как следует из (5), смещает точку фокусировки пучка ближек диафрагме. Если эта точка будет располагаться на расстоянии l /2 от экрана, то можно наблюдать повторную фокусировку лучей при токе I₂. Измерения I₂ также выполняют не менее 5 раз.

Примечание. Соленоид используется без специального охлаждения, поэтому его лучше включать лишь на время измерений.

По усредненным величинам I₁ и I₂ вычисляют индукции В ₁ и В₂, а затем по формуле (8) искомое отношение е/ m. Расстояние и ускоряющий потенциал U для данной трубки известны из ее паспорта и составляют l =13.3 см, U =600 В. Число витков п= 54 вит./см. Удельный заряд электрона при этом получается в системе СИ (Кл/кг).

Контрольные вопросы

1. Какие силы действуют на электрон со стороны поля: а) электрического? б) магнитного? Как определить направление этих сил?

2. Докажите справедливость соотношения (7).

3. Изобразите схематически силовые линии магнитного поля солено­ида.

4. Объясните фокусирующее действие продольного магнитного поля на расходящийся пучок электронов.

5. Почему при увеличении силы тока в соленоиде фокусировка электронного пучка на экране осциллографа периодически повторяется?

6. Изобразите вид траектории электронов при различной величине тока в соленоиде.

7. Оказывает ли существенное влияние на траектории электронов в трубке магнитное поле Земли?

Литература

1. Шпольский Э.В. Атомная физика, - М.: Наука, 1984. - Т. 1. С.20-22, 29-32.

2. Определение е/т по методу отклонения элек­тронного луча в магнитном поле Земли

Земля, как известно, представляет собой огромный шаровой магнит. Силовые линии создаваемого им поля изображены на рис. 2. Северный магнитный полюс N находится вблизи южного географического S полюса, инаоборот. Если подвесить магнитную стрелку так, чтобы точка подвеса совпала с центром тяжести стрелки, то последняя установится по направлению касательной к силовым линиям магнитного поля Земли.

В нашем, северном полушарии южный конец стрелки будет наклонен к Земле, и стрелка составит с горизонтом угол наклона θ. Вертика­льная плоскость, в которой расположится стрелка, является плоскостью магнитного меридиана.

Таким образом, вектор индукции В магнитного поля Земли можно разложить на две составляющие: горизонтальную В₁

и вертикальную В₂. Первая ориентирует стрелку в плоскости магнитного меридиа­на, вторая отклоняет стрелку на угол θ. Очевидно, на магнитном экваторе наклонение θ равно нулю.

Воспользуемся электронно-лучевой трубкой, вынесенной из блока осциллографа и укрепленной на стойке (рис. 3). Если ось трубки на­править вдоль магнитного меридиана, то на электроны не действует магнитное поле Земли, так как υ║Ви .При повороте оси трубки на 90° сила Лоренца достигает максимального значения, равного

(10).

Эта сила вызовет отклонение пучка электронов на величину у, которую можноизмерить по координатной сеткена экране осциллографической трубки.

Траектория электрона внутри трубкиявляется частью окружности (рис.4), радиус которой r на основания (3) равен

(11)

С другой стороны, величина r связана с расстоянием L между катодом трубки и экраном

(11а)

Поскольку y«2r, находим отсюда

(12)

Подставляя теперь r в соотношение (11), и, исключая в полученном выражении ско­рость υ,с помощью (7) найдем

(13)

Электронно-лучевая трубка может поворачиваться вокруг горизонтальной оси. Угол наклона оси трубки к горизонту отсчитывается по шкале, разделенной на 36 де­лений. Для совмещения плоскости враще­ния трубки с плоскостью магнитного меридиана стойка может поворачиваться вокруг вертикальной оси.

Величину индукции В магнитного поля Земли можно определить, зная горизонтальную составляющую

В=B₁(cosθ)^-1 (14)

Для места расположения лаборатории В₁ =0.26·10^-4 Тл, угол наклонения θ =62,5° (cos θ =0,4617).

Порядок выполнения работы

С помощью стрелки компаса находят положение плоскости магнитного меридиана и устанавливают трубку в положение параллельно магнитному полю Земли. Далее включают блок осциллографа и, вращая трубку, устанавливают ее под углом θ к горизонту. При этом след электронного луча должен находиться в центре координатной сетки. Если этого не наблюдают, то ручками центровки луча ставят ее на центр координатной сетки. Поворачивают трубку на 90° и определяют отклонение луча у ₁. Затем поворачивают трубку на 180° и фиксируют отклонение у ₂.

При точной начальной установке трубки и светового пятна на экране величины у ₁ и у ₂ должны совпадать. Если это не наблюдается, то измерения выполняют следующим образом.

Измеряют отклонение в одну сторону и складывают его с отклонением в другую сторону. Очевидно, в этом случае искомое отклонение . Учитывая визуальный характер наблюдений, необходимо произвести не менее 5-7 измерений и рассчитать относительную ошибку определения е/т. При вычислении удельного заряда по формуле (13) принимают L =15.5 см, U =720 В. В заключение сравнивают полученное значение е/т с табличным.

Контрольные вопросы

1. Как установить направление магнитного меридиана в данной точке Земли?

2. Какой вид имеет траектория электронов при различных положениях осциллографической трубки?

3. Какими параметрами определяется величина отклонения электронного луча в магнитном поле Земли?

4. Выведите соотношение (11а).

5. Можно ли с помощью данной установки определить:

а) положение плоскости магнитного меридиана?

б) направление магнитного меридиана?

6. Почему при использовании осциллографа влияние магнитного поля Земли обычно не учитывают?

Литература

1. Шпольский Э.В. Атомная физика. М.:Наука. -1984. – Т.1. - С. 20-25.

2. Кортнев А.Б., Рублев Ю.В., Куценко А.Н. Практикум по физике. М:Высшая школа. I961. - С. 276-277.

 

Лабораторная работа №2