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 в расходящийся 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 центре экрана 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 ближе к 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 В₁ 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, и наоборот. 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║В и . При повороте оси трубки на 90° сила Лоренца достигает максимального значения, равного

(10).

Эта сила вызовет отклонение пучка электронов на величину у , которую можно измерить по координатной сетке на экране осциллографической трубки.

Траектория электрона внутри трубки является 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).