🗊Презентация Измерение удельного заряда электрона методом магнетрона

Измерение удельного заряда электрона методом магнетрона Мультимедийное руководство к Лабораторной работе № 2 по курсу физики для студентов дистанционной формы обучения Разработчик: старший преподаватель кафедры физики СибГУТИ Александр Иванович Стрельцов

Цель работы Ознакомиться с законами движения заряженных частиц в электрическом и магнитном полях. Измерить удельный заряд электрона с помощью цилиндрического магнетрона.

Теоретическое введение Краткие теоретические сведения об исследуемом физическом явлении

Электрический заряд В природе существует 4 вида фундаментальных взаимодействий физических тел: гравитационное, электромагнитное, слабое и ядерное. Наше исследование будет посвящено электромагнитному взаимодействию тел Чтобы иметь возможность вступать в электромагнитное взаимодействие, тела должны обладать особым физическим свойством – электрическим зарядом Электрический заряд характеризует вид и интенсивность взаимодействия тел. Поэтому он является физической величиной, у которой есть собственное обозначение – буква q и размерность – кулон (Кл) Отношение электрического заряда частицы к её массе называется удельным зарядом частицы

Магнитное поле Электрические заряды не могут действовать друг на друга непосредственно. Действие одного заряда на другой осуществляется посредством магнитного поля Магнитное поле – это структурная форма материи, с помощью которой осуществляется электромагнитное взаимодействие. Его основные свойства: Магнитное поле создаётся только движущимися электрическими зарядами и ничем другим Магнитное поле способно оказывать силовое воздействие на помещённый в него движущийся электрический заряд, что позволяет его обнаружить Магнитное поле не создаётся и не действует на неподвижные электрические заряды

Индукция магнитного поля Отношение силы, действующей на движущийся заряд, помещённый в магнитное поле, к величине этого заряда и скорости его движения, называется индукцией магнитного поля: Вектор индукции магнитного поля одновременно перпендикулярен вектору силы, действующей на электрический заряд, помещённый в данную точку поля, и вектору скорости движения заряда Таким образом, индукция магнитного поля является его силовым параметром В системе единиц СИ магнитная индукция измеряется в тесла (Тл)

Силовые линии магнитного поля

Характер Магнитного поля Однородное

Сила Лоренца Сила, действующая со стороны магнитного поля на одиночный движущийся электрический заряд, называется силой Лоренца: векторная запись , скалярная запись Направление силы Лоренца определяется по правилу левой руки либо по правилу правого винта Сила Лоренца всегда одновременно перпендикулярна скорости движения заряда и вектору магнитной индукции Поэтому сила Лоренца изменяет скорость движения заряженной частицы только по направлению, не изменяя её величины. Вследствие этого данная сила не способна совершать механическую работу

Определение направления вектора силы Лоренца Правило левой руки: если четыре пальца левой руки направить по движению положительного электрического заряда, а вектор магнитной индукции будет входить в ладонь, то отогнутый под прямым углом большой палец покажет направление силы Лоренца Правило правого винта (буравчика): если поворачивать вектор скорости движения положительного электрического заряда на минимальный угол, пытаясь совместить его с вектором магнитной индукции, то направление поступательного движения буравчика совпадёт с направлением силы Лоренца

Движение электрического заряда под действием силы Лоренца Перпендикулярно силовым линиям магнитного поля

Уравнение Движения электрического заряда под действием силы Лоренца Движение любого тела или частицы всегда подчиняется второму закону сэра Ньютона: По определению, линейное ускорение: При движении заряженной частицы в магнитном поле на неё действует сила Лоренца: Уравнение движения заряженной частицы в магнитном поле принимает окончательный вид:

Циркуляция вектора магнитной индукции по замкнутому контуру

Закон полного тока

Критический ток соленоида

Удельный заряд электрона Отношение электрического заряда частицы к её массе называется удельным зарядом Удельный заряд частицы обозначается как отношение q/m и в системе единиц СИ измеряется в кулонах, делённых на килограмм (Кл/кг) Поскольку электрон несёт на себе отрицательный электрический заряд, то и удельный заряд электрона тоже будет отрицательной величиной Удельные заряды элементарных частиц, в том числе – электрона, легко вычисляются через элементарный заряд и массу покоя частиц, которые являются мировыми константами Вычисление удельного заряда электрона по результатам измерений параметров магнетрона составляет основную цель нашей лабораторной работы

Экспериментальная часть Описание лабораторной установки

Реальная лабораторная установка. Внешний вид Лабораторная установка состоит из вакуумного диода и соленоида, образующих магнетрон, измерительного блока с цифровыми приборами для измерения токов магнетрона, а также источника питания с измерительными приборами и возможностью регулирования подаваемых в схему токов

Реальная лабораторная установка. Принципиальная схема Схема содержит три цепи: цепь питания соленоида (слева вверху), цепь накала катода вакуумного диода (слева внизу) и анодную цепь вакуумного диода (справа). Схема позволяет регулировать и измерять ток в цепи соленоида и анодное напряжение диода, а также измерять его анодный ток.

Виртуальная лабораторная установка Программа-симулятор – это математическая модель, полностью отражающая исследуемые в лабораторной работе свойства реального магнитного поля Щёлкните здесь, чтобы запустить программу

Снятие зависимости анодного тока магнетрона от тока в цепи его соленоида Установите значение анодного напряжения в соответствии со своим вариантом задания Последовательно устанавливайте все возможные значения тока соленоида, начиная с нуля и каждый раз нажимайте кнопку «Вычислить» Таблица заполняется автоматически По окончании измерений обязательно перепишите все значения обоих токов в отчёт по лабораторной работе Для перехода в следующее окно нажмите кнопку «Построить график»

Построение графика зависимости анодного тока магнетрона от тока в цепи его соленоида График исследуемой зависимости строится автоматически. Его необходимо скопировать в отчёт по работе (Alt+PrintScreen) Для перехода в следующее окно и построения графика производной анодного тока по току соленоида от тока соленоида (dIa/dIc = f(Ic)) нажмите большую кнопку «Построить график зависимости dIa/dIc от Ic»

Графическое дифференцирование зависимости анодного тока от тока соленоида по току соленоида и поиск критического тока магнетрона График производной тоже строится автоматически. Его необходимо скопировать в отчёт по работе (Alt+PrintScreen) Одновременно открывается окно для вычисления удельного заряда электрона Как можно точнее снимите с графика значение критического тока магнетрона и переходите к расчёту удельного заряда электрона

Вычисление удельного заряда электрона Поочерёдно введите в чёрные поля параметры лабораторной установки: Число витков соленоида Длину намотки соленоида, (м) Радиус анода магнетрона, (м) Критический ток магнетрона, (мА) Анодное напряжение магнетрона, (В) Нажмите кнопку «Вычислить» и запишите в отчёт экспериментальное значение удельного заряда электрона в Кл/кг.

Обработка полученных результатов Анализ цели лабораторной работы и написание вывода по проведённому исследованию магнитного поля

Сопоставление теоретических данных с практическими результатами Целью работы была экспериментальная проверка значения удельного заряда электрона Согласно справочным данным, заряд электрона равен -1.6∙10-19 Кл, а его масса покоя составляет 9.1∙10-31 кг. Отсюда удельный заряд электрона получается равным примерно -1.76∙10+11 Кл/кг С другой стороны, проведённые измерения позволяют рассчитать удельный заряд по формуле Сопоставив между собой полученные теоретическое и экспериментальное значения удельного заряда электрона, можно сделать вывод о справедливости метода магнетрона для его измерения. Предоставляем Вам возможность сделать это самостоятельно, используя это мультимедийное руководство, полнотекстовое описание лабораторной работы и видеоурок. Желаем успехов!