15. Wyznaczanie stosunku e/m

15. Wyznaczanie stosunku e/m
Cel:
 Analiza ruchu cząstki naładowanej w polu elektrycznym i magnetycznym.
 Poznanie budowy i zasady działania lampy kineskopowej.
 Wyznaczenie stosunku e/m.
Pytania kontrolne:
 Co to jest stosunek e/m?
 Prawo Lorentza i prawo Coulomba. Siły działające na poruszający się ładunek w polu
elektrycznym i w polu magnetycznym.
 Przestawić graficznie i opisać ruch elektronu w jednorodnym polu elektrycznym oraz
magnetycznym, gdy prędkość elektronu jest równoległa oraz prostopadła do pola.
 Jak zbudowana jest lampa kineskopowa?
 Zasada wyznaczenie stosunku e / m dla elektronu. Dlaczego zmiany natężenia prądu
oraz zmiany napięcia powodują zmiany położenia plamki na ekranie oscyloskopu?
Opis ćwiczenia:
Podstawowym elementem układu do wyznaczenia stosunku e/m
oscyloskopowa.
KS
C
A
jest lampa
E
P
V
Z1
A
Z2
Rys. 15.1. Schemat układu do wyznaczania stosunku e/m (widok z góry)
Katoda K , podgrzewana za pomocą obwodu żarzenia, emituje elektrony. Elektrony te
przechodzą przez siatkę S z pojedynczym otworem. Układ dwóch anod A działa jak
soczewka elektronowa, umożliwiając uzyskanie ostrej plamki na ekranie E . Dodatkowo,
dzięki napięciu elektrycznemu pomiędzy katodą i anodą elektrony uzyskują odpowiednią
prędkość V .
We wnętrzu lampy oscyloskopowej wbudowany jest zespół płytek P , który stanowi
układ wytwarzający jednorodne pole elektryczne. Pole to odchyla biegnący strumień
elektronów o wartość y , zależną od przyłożonego napięcia U :
y
e l b  12 l  1
U,
m
d
V2
(15.1)
gdzie l  , b i d to odpowiednio odległość płytek od ekranu, długość płytek i odległość
pomiędzy płytkami. Wielkość napięcia U regulujemy za pomocą zasilacza Z1 i mierzymy
woltomierzem V
Na zewnątrz lampy oscyloskopowej symetrycznie do zespołu płytek odchylających P
umieszczone są cewki Helmholtza C – każda składająca się z N zwojów. Cewki te
wytwarzają pole magnetyczne odchylające strumień elektronów w przeciwną stronę niż płytki
C . Wielkość tego odchylenia jest proporcjonalna do natężenia prądu I płynącego przez
uzwojenia cewek i wynosi:
l

l b  
e
2

y
2
2
m 
 1  h  1  h
  4 R 2 
4R 2

0 N
 V
R


I,
(15.2)
gdzie l , b , h , R i  0 to odpowiednio średnica obszaru działania pola magnetycznego,
odległość ekranu od granicy pola magnetycznego, odległość pomiędzy cewkami, promień
cewek i przenikalność magnetyczna próżni. Natężenie prądu płynącego przez cewki
Helmholtza regulujemy za pomocą zasilacza Z 2 i mierzymy amperomierzem A .
Wykonanie ćwiczenia rozpoczynamy od wyregulowania jasności i ostrości plamki
świetlnej. Następnie, przy odłączonych zasilaczach Z1 i Z 2 , ustawiamy plamkę na poziomej
osi y  0 ekranu oscyloskopu. Podłączamy zasilacze. Zmieniając odpowiednio wartość
natężenia prądu I powodującego zmianę wartości indukcji magnetycznej pola B , odchylamy
w pionie położenie plamki o zadaną wartość y . Regulując następnie wartość napięcia U ,
powodującą zmianę wartości pola elektrycznego E , kompensujemy wychylenie plamki sprowadzając ją do wyjściowego położenia zerowego. Odczytujemy wartość natężenia prądu i
napięcia.
Uwzględniając podane w instrukcji wartości parametrów geometrycznych lampy
oscyloskopowej i cewek Helmholtza, znajdziemy:
 natężenie pola elektrycznego pomiędzy płytkami odchylającymi
E
1
U ,
d
(15.3)
 wartość indukcji magnetycznej wytworzonej przez cewki Helmholtza
B
 prędkość elektronów
1
2
2

 1  h  1  h
  4 R 2 
4R 2


R


 0 N  I ,
(15.4)
l' 

l '  b' 
2 E
V 
 ,
l B

l b  
2

(15.5)
 poszukiwaną wartość stosunku e / m
3

h2  2 
l' 
1 
 R  l '  b' 
2 
2
e  4R 
Uy



2
m
0 NI 2
 
l 
d   l  b   
2 
 
(15.6)
W celu uzyskania możliwie dokładnego wyniku, pomiary przeprowadzamy wielokrotnie dla
różnych wartości odchylenia plamki w kierunku dodatnim, jak i ujemnym osi y.
Literatura:
1. Daca T., Łukasiewicz M., Włodarski Z., Laboratorium z fizyki. Skrypty dla studentów II
roku wy działu mechanicznego i nawigacyjnego, WSM, Szczecin (dostępne wydania).
2. Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki. Cz. 2, praca zbiorowa pod red. J. Kirkiewicza, WSM,
Szczecin, 2003.
3. Szydłowski H., Pracownia fizyczna, PWN, Warszawa (dostępne wydania).
4. Resnick R., Halliday D., Walker J., Podstawy fizyki T.1, PWN, Warszawa (dostępne
wydania).
5. Bobrowski C., Fizyka: krótki kurs, WNT, Warszawa (dostępne wydania).
6. Orear J., Fizyka T.1, WNT, Warszawa (dostępne wydania).