ТОП 10:

Изучение движения электронов в электростатических полях



Цель работы

  1. Наблюдение траектории движения электронов в электростатических полях.
  2. Определение скорости движения электронов в ускоряющем электростатическом поле.
  3. Определение напряженности электростатического поля плоского конденсатора и расстояния между его обкладками.

Приборы и принадлежности

  1. Электронный осциллограф.
  2. Установка для изучения движения электронов.

Теоретическое введение

Электростатическое поле создается неподвижными электрическими зарядами. Элементарным отрицательным электрическим зарядом является электрон е. Величины зарядов тел дискретны:

  q = e N,  

где N – число избыточных или недостающих электронов всех атомов тела, е = - 1,6 · 10 -19 Кл – заряд электрона (m = 9,1 · 10-31 кг – масса электрона).

Характеристиками электронов и их поведением в электрических и магнитных полях объясняются многие явления и законы природы, принципы действия технических устройств и др.

Рассмотрим движение электронов в электростатических полях. На электрон в электростатическом поле с вектором напряженности E действует сила F, равная

  (1)

По второму закону Ньютона

   

Модуль ускорения электрона

  (2)

Траектория движения электрона и характер изменения его скорости зависят от угла между вектором скорости υ электрона и вектором напряженности E электростатического поля. Выделим два частных случая.

  1. или - электрон влетает в продольное электростатическое поле и движется в поле прямолинейно вдоль линий вектора напряженности E равнозамедленно или равноускоренно.
  2. - электрон влетает в поперечное электростатическое поле и далее в поле движется криволинейно.

При движении электрона в продольном электростатическом поле (см. рис. 1) начальная скорость электрона, вылетающего из катода K, обычно очень мала и её принимают равной нулю υ0 = 0. Электрон движется с ускорением a, определяемым формулой (1.2) прямолинейно к аноду A. Между катодом K и анодом A напряжение Uа является определяющим скорость движения электрона υ.

Рис. 1

Скорость, которую электрон приобретает при движении в поле, можно рассчитать по соотношению энергий:

   

Величины энергий определяются по формулам:

   

 

   

Отсюда скорость электрона, прошедшего ускоряющую разность потенциалов Uа, равна

  (3)

Если электрон влетает в однородное поперечное электростатическое поле, создаваемое плоским конденсатором, как показано на рис. 2, то движение происходит с ускорением направленным вдоль линий вектора

Рис. 2

Траектория движения электрона определяется уравнениями:

  (4)

где t – время движения электрона в поперечном электростатическом поле.

С учетом формулы (2) и получаем уравнение движения электрона:

  (5)

Полученное уравнение - это уравнение параболы. Таким образом, электрон в поперечном электростатическом поле движется по параболе. Подставив в уравнение (1.5) значение скорости (1.3), получаем величину смещения электрона Δy:

  (6)

Напряженность E электростатического поля плоского конденсатора связана с напряжением U и расстоянием d между обкладками конденсатора соотношением:

  (7)

Описание установки

Принципиальная схема экспериментальной установки для наблюдения движения электрона в продольном и поперечном электростатических полях показана на рис. 3.

В электронно-лучевой трубке впаяны катод K и анод A между которыми создается ускоряющее напряжение Ua. Напряжение может изменяться с помощью реостата Ra и измеряется вольтметром Va. Электроны, вылетающие из катода K, ускоряются электрическим полем и через малое отверстие в аноде A влетают по центральной линии в электростатическое поле плоского конденсатора.

Между пластинами конденсатора создается напряжение U, величина которого может изменяться с помощью реостата R и измеряется вольтметром V. Пластины конденсатора расположены так, что вектор напряженности E поля конденсатора перпендикулярен вектору скорости, влетающего электрона. На выходе из конденсатора электрон отклоняется от первоначального направления движения (от центральной линии) на величину Δy, что фиксируется на экране H.

Рис. 3

 

Рис. 4

На рис. 4 показана модель установки по изучению движения электронов в электростатических полях, позволяющая проводить виртуальные лабораторные исследования.

Порядок выполнения работы

Задание 1

  1. Включить установку, замкнув ключи К1 и К2. При этом на экране появляется светящаяся точка – электронный луч.
  2. С помощью реостата R выставить напряжение между обкладками конденсатора U = 1 В.
  3. С помощью реостата Ra изменять напряжение Ua между катодом К и анодом А от нуля до 10 В через 2 В. Измерять величину смещения Δy электронного луча, соответствующую каждому значению напряжения Ua.
  4. Все измеряемые величины занести в таблицу 1.
Таблица 1
№ изм. Ua, B υ, м/с L, м U, В Δy, м E, B/м d, м
             
         
         
         
         
         
             
             
             
             

Задание 2







Последнее изменение этой страницы: 2016-04-26; Нарушение авторского права страницы

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.231.229.89 (0.004 с.)