Politechnika Śląska

Wydział AEiI

Kierunek AiR

Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki:

Wyznaczanie ładunku właściwego e/m              metodą magnetronową.

Grupa IV, sekcja 3

                                                                                             1.Szymon Ciupa

                                                                                             2.Adam Filipek

Gliwice, 12.03.1999

1.    Wstęp teoretyczny:

Postulat istnienia ładunku elementarnego  został potwierdzony doświadczalnie na przełomie ubiegłego wieku. Najpierw J.J.Thomson wykazał, że stosunek ładunku do masy (e/m) jest stały i wynosi 1,7×1011[C/kg]. Natomiast sam ładunek elementarny wyznaczył R.A.Millikan. Podstawą metod doświadczalnych wyznaczania ładunku właściwego elektronu e/m (gdzie e - ładunek elektronu, a 

m - jego masa) są badania nad ruchem elektronu w polach elektrycznym i magnetycznym.

W opisywanym doświadczeniu ładunek właściwy elektronu wyznaczono przy pomocy magnetronu. Magnetrony są to lampy dwuelektrodowe, o cylindrycznej anodzie, z centrycznie ustawioną względem anody katodą. Lampę umieszcza się współosiowo w jednorodnym, równoległym do osi lampy polu magnetycznym wytworzonym przez nawinięty na nią solenoid. Po przyłączeniu do magnetronu odpowiednich napięć, elektrony na skutek termoemisji są emitowane przez katodę i przyśpieszane w polu elektrycznym. Linie sił tego pola są skierowane wzdłuż promienia lampy, czyli biegną promieniście od anody do katody.

Ze strony pól elektrycznego i magnetycznego na poruszające się elektrony działa siła Lorentza F=e×E+e×(v´B). Jeżeli przez cewkę nie płynie prąd, to indukcja magnetyczna B=0 i elektrony biegną promieniście do anody. Ze wzrostem wartości indukcji magnetycznej elektrony poruszają się po spiralach o coraz mniejszym promieniu krzywizny. Przy pewnej krytycznej indukcji magnetycznej Bkr tory elektronów nie osiągają anody i natężenie prądu anodowego zaczyna się stopniowo zmniejszać. Teoretycznie powinien nastąpić zanik prądu anodowego, jednak elektrony  posiadają różne prędkości, a więc w sytuacji krytycznej tylko część elektronów będzie zawracać w kierunku katody, a elektrony wolniejsze będą po torach rozwijających się spiral docierać do anody.

Korzystając równocześnie z drugiej zasady dynamiki Newtona i z zasady zachowania energii cząstki poruszającej się w polu magnetycznym oraz wiedząc, że indukcja magnetyczna B=b×m0×I otrzymujemy wzór na ładunek właściwy :

gdzie :  ra - promień anody; rk - promień katody; b = 5,3×103 [m -1] - stała aparaturowa zależna od geometrii cewki; m0 = 4p×10–7 [N/A2] - przenikalność magnetyczna próżni.

Rys.Zakrzywienie toru elektronów w polu magnetycznym (B - indukcja magnetyczna,Bkr - indukcja magnetyczna krytyczna).

2.Schemat układu pomiarowego i krótki opis doświadczenia:

   W celu przeprowadzenia doświadczenia zbudowano układ pomiarowy według schematu przedstawionego na rysunku:

W układzie wykorzystano diodę prostowniczą EZ 81 o następujących parametrach: promień anody ra=(2,0±0,05)[mm], promień katody rk=(1,0± ±0,02)[mm], stała aparaturowa zależna od geometrii cewki (rozmiarów, liczby zwojów, liczby warstw uzwojenia) b = 5,3 × 103 [m -1].

Celem doświadczenia było wyznaczenie ładunku właściwego e/m metodą magnetronową. W tym też celu prowadzący doświadczenie musieli wyznaczyć wartość krytyczną prądu Im płynącego przez solenoid przy określonym napieciu anodowym Ua. Dokonano tego w następujący sposób: przy ustalonym napięciu anodowym notowano zmiany natężenia prądu anodowego ia spowodowane zmianą natężenia prądu Im płynącego przez solenoid. Natężenie prądu Im zmieniano w granicach 0 ¸1500[mA] co 100[mA]. Pomiary przeprowadzono dla trzech różnych napięć anodowych: 5[V], 6[V] i 7[V]. W wyniku pomiarów uzyskano charakterystyki ia = f (Im), z których odczytano wartości krytyczne Ikr prądu Im płynącego przez solenoid, odpowiadające dwukrotnemu spadkowi prądu anodowego ia (w porównaniu z wartością początkową). Wartości krytyczne prądu Im oraz ustalone wartości napięcia anodowego Ua wstawiano do wzoru na ładunek e/m. Uzyskane wyniki dostępne są w dalszej części sprawozdania.

3. Tabele wyników pomiarów i dane doświadczalne: