Материал: Гурбич Лабораторныы практикум по курсу Обшчая физика раздел Електричество 2014

20.Найти средние значения измеренных величин и их погрешности и рассчитать величину магнитного поля Земли и его наклонение по формулам (8.14) и (8.15) соответственно.

21.Найти угол между осью x и направлением север–юг по фор-

муле (8.16).

Контрольные вопросы

1.Чему равен магнитный момент кольцевого тока?

2.Что такое температура Кюри?

3.Сформулируйте закон электромагнитной индукции.

4.Изменится ли результат измерений, если вращать катушку в противоположную сторону?

56

Работа № 9

ИЗМЕРЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА

Удельный заряд электрона (отношение заряда электрона e к его массе me) определяется в работе из параметров траектории движения электрона в магнитном поле. Если скорость v электрона, движущегося в однородном маг-

нитном поле с индукцией B , перпендикулярна направлению поля, траектория его движения представляет собой окружность (рис.

9.1). На движущийся электрон со стороны магнитного поля действует сила Лоренца

(9.1)

Считая электрон материальной точкой массы me, запишем для него уравнение динамики в проекциях на касательную и нормаль к траектории

Решая совместно (9.4) и (9.5), получим

57

В лабораторной работе для создания однородного магнитного поля применяются катушки Гельмгольца1). Согласно закону Био– Савара–Лапласа индукция магнитного поля B, создаваемого проводником, пропорциональна протекающему по нему току I, т.е. B = = kI, где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от конфигурации проводника. В случае катушек Гельмгольца для коэффициента k можно вывести следующее соотношение

где n – число витков каждой из катушек, R – радиус катушки. Можно, разумеется, определить k и экспериментально.

откуда при известных значениях r, k, I и U находится модуль удельного заряда электрона. Из (9.8) также следует, что один и тот же радиус траектории электрона (r = const) можно получить, изменяя ускоряющее напряжение пропорционально квадрату тока, протекающего через катушки:

Приборы и оборудование

Общий вид установки для проведения опытов показан на рис. 9.2, а электрические соединения – на рис. 9.3.

Сфокусированный пучок электронов из электронной пушки направляется вертикально вверх в стеклянной колбе, наполненной водородом под давлением ~1 Па. Катушки Гельмгольца, между ко-

1) Катушки Гельмгольца — это две соосно расположенных одинаковых катушки с током, расстояние между центрами которых равно их среднему радиусу. В центре системы имеется зона однородного магнитного поля.

58

торыми установлена колба, создают однородное магнитное поле, отклоняющее электроны таким образом, что их траектория представляет собой окружность, плоскость которой перпендикулярна оси катушек. При взаимодействии движущихся электронов с атомами водорода возникает слабое голубое свечение, позволяющее наблюдать траекторию электронов визуально.

Рис. 9.2

Рис. 9.3

Для измерения диаметра окружности установка снабжена измерительной линейкой с двумя ползунками. Поскольку измеряемый объект (траектория) находится на значительном удалении от линейки, при проведении измерений возможен параллакс, т.е. кажущееся смещение наблюдаемого объекта относительно линейки при наклонном направлении луча зрения наблюдателя. Чтобы из-

59

бежать параллакса, с противоположной стороны колбы параллельно измерительной линейке установлено зеркало. При проведении измерений наблюдатель должен выбрать точку наблюдения таким образом, чтобы край ползунка совпал с его изображением в зеркале. Тогда, так как по закону отражения угол падения равен углу отражения, луч зрения будет перпендикулярен плоскости измерительной линейки (угол падения равен 0).

Используемые в работе катушки Гельмгольца имеют следующие параметры: число витков каждой катушки n = 130, радиус R = = 150 мм.

Катушки Гельмгольца и ускоряющая электроны трубка запитаны от разных источников (см. рис. 9.3). На ускоряющую трубку подаются: ток накала для разогрева катода, испускающего электроны в результате термоэмиссии, ускоряющее анодное напряжение (до +300 В) и небольшое напряжение (до –10 В) на фокусирующий электрод. Поскольку катод является общей точкой, выход «+» фокусирующего напряжения соединяется с выходом «–» анодного напряжения. Ток через катушки Гельмгольца не должен превышать

2 А.

Порядок выполнения работы

1.Собрать/проверить электрическую схему установки согласно рис. 9.3.

2.Вывести регулировки анодного и фокусирующего напряжений и тока катушек в крайнее положение против часовой стрелки.

3.Включить блоки питания ускоряющей трубки и катушек.

4.Через 1 мин после включения установить ускоряющее напряжение U = 300 В и ток катушек I = 2 А.

5.Наблюдая траекторию электронов, подобрать фокусирующее напряжение так, чтобы светящаяся линия имела бы минимальную толщину.

6.Установить левый ползунок измерительной линейки таким образом, чтобы наблюдаемый правый край ползунка и его изображение в зеркале совпали бы с касательной к траектории электронов слева от центра окружности.

60