Порядок выполнения работы. 1. Закрепляют панель с катушкой на верхней части стола, ориентируя ось катушки по

1. Закрепляют панель с катушкой на верхней части стола, ориентируя ось катушки по компасу (стрелка компаса должна располагаться вдоль витков катушки).

2. Собирают схему установки. Измеряют радиус катушки (r), число витков (n) указано на катушке. Записать их в таблицу.

3. Устанавливают с помощью магазина сопротивление R=10 Ом и включают блок питания 0÷7В.

4. Увеличением напряжения добиваются, чтобы стрелка отклонилась на произвольный угол α₁ при этом, записывают значения тока и угла в таблицу.

Таблица

 

	α1(град)	a2(град)	I (А)	αср= (a1+a2)/2	ctg αср	Hз (А/м)
	r =	n =				Hз ср. =

5. Чтобы избежать возможной не параллельности стрелки магнитному меридиану меняют полярность питания катушки и фиксируют значение угла α2 при неизменном подаваемом напряжении и токе.

6. По полученным значениям углов α₁ и α₂, рассчитывают среднее значение угла α_ср при данном подаваемом напряжении и токе:

α_ср =(α₁+α₂)/2

7. Проделывают опыт несколько раз для различных значений тока I и выводят среднее значение Н_з по формуле (7.5).

8. Рассчитать абсолютную и относительную погрешности при косвенном измерении величины Н_з.

 

Контрольные вопросы

 

1. Что характеризуют вектора магнитной индукции и напряженности магнитного поля?

2. Выведите формулу магнитной индукции в центре кругового проводника с током.

3. Каковы элементы земного магнетизма?

4. Выведите расчетную формулу (7.5).

 

Литература

1. Калашников C.Г. Электричество. М.: Наука, 1985. гл.8.

2. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Курс физики. М.: Высшая школа, 1983. т.2, гл.7.

3. Сорокин А.Ф., Сурков М.И., Кушкин С.А. Руководство к лабораторным работам по физике. Астрахань 1997.

 

 

Лабораторная работа № 8.

 

Измерение удельного заряда электрона и изучение силы Лоренца.

Цель: изучить движение заряженных частиц в электромагнитном поле.

Оборудование: осциллограф с встроенным соленоидом, источник переменного тока 0 ÷ 7 В, соединительные провода, мультиметр в режиме амперметра.

 

Краткая теория

Магнитное поле – форма существования материи, обладающая свойством передавать магнитное взаимодействие.

Магнитное поле порождается только движущимися зарядами. Основной характеристикой магнитного поля является (магнитная индукция) – физическая величина, численно равная максимальному вращательному моменту, действующему на пробный контур с единичным магнитным моментом, помещенным в данную точку поля.

 

, (8.1)

 

где - механический момент контура с током, - магнитный момент контура площадью S.

В данной работе изучается действие на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля. Силу этого воздействия называют силой Лоренца и определяют по формуле:

F_л = (8.2)

где q - заряд, V - скорость частицы.

Направление силы Ампера определяется правилом левой руки (рис. 8.1):

1) направление линий магнитной индукции входят в левую ладонь;

2) четыре пальца вытянуты по направлению тока;

3) отогнутый на 90⁰ большой палец указывает направление силы Ампера.

Сила Лоренца определяется аналогично (учитывая, что четыре пальца вытянуты по направлению скорости движения положительного заряда).

Характер движения частицы в однородном поле зависит от угла α между направлением скорости и индукции магнитного поля.

I. . Скорость заряда перпендикулярна магнитной индукции, сила Лоренца имеет максимальное значение и направлена перпендикулярно скорости и индукции. Эта сила создает центростремительное ускорение и заставляет электрон двигаться по окружности в плоскости, перпендикулярной к индукции (рис. 8.2).

II. α = 0. Скорость заряда параллельна магнитной индукции, тогда , магнитное поле никакого действия на заряд не оказывает.

III. . Скорость заряда направлена под острым углом к магнитной индукции (рис. 8.3), тогда скорость движения электрона можно разложить на две составляющие, одна из которых V_n перпендикулярна, а другая V_τ параллельна магнитному полю.

 

(8.3)

 

Перепишем (8.2) в скалярной форме: (8.4)

Таким образом, на величину силы Лоренца, помимо величины поля, влияет только нормальная составляющая скорости. Справедливо и обратное утверждение – сила Лоренца изменяет только нормальную составляющую скорости (почему?). Рассматривая движение электрона как сложное со скоростями V_n и V_τ , можно утверждать, что сила Лоренца не влияет на движение вдоль поля (движение по прямой) и является причиной изменения направления нормальной составляющей скорости (движение по окружности). Результирующее движение будет движением по винтовой линии (рис. 8.3).

Для движения электрона по окружности (в плоскости перпендикулярной к магнитной индукции) сила Лоренца является центростремительной:

. (8.5)

Тогда время одного полного оборота с учетом (8.5) равно:

 

(8.6)

За время одного оборота электрон, участвуя в равномерном и прямолинейном движении вдоль поля, сместится в этом направлении на расстояние, равное шагу винта h (смещение электрона за время, равное периоду) (рис. 8.3):

. (8.7)

Из (8.3), (8.6), (8.7) следует, что:

(8.8)

Рассмотрим важный для практики случай, когда углы α малы (α<<1). Тогда:

 

. (8.9)

 

Таким образом, путь h, пройденный электроном в магнитном поле за один оборот, не зависит от угла α (для малых углов). Поэтому все электроны, вышедшие из одной точки в разных направлениях под небольшими углами к магнитному полю, после одного оборота вновь соберутся в одной точке. В этом заключается принцип магнитной фокусировки электронов. Соотношение (8.9) может служить для определения удельного заряда электрона ( ): (учтем: e = q )

. (8.10)

 

Для осуществления эксперимента электроны разгоняются в электрическом поле с разностью потенциалов U и приобретают кинетическую энергию:

 

(8.11)

 

Решая совместно (8.10) и (8.11), можно найти:

 

(8.12)

 

Удельный заряд является важной характеристикой элементарных частиц, знание которой необходимо при расчете конструкций электровакуумных приборов, электронно-оптических установок, ускорителей элементарных частиц разного типа, широко применяемых в современной науке и технике. Экспериментальные методы определения удельного заряда основаны на законах движения электронов в электрических и магнитных полях. Эти же методы применяются для определения массы частицы, если известен её заряд, или заряда при известной массе.

Наиболее точное значение удельного заряда электрона, установленное с учетом результатов, полученных различными методами, равно:

 

= 1,76*10¹¹Кл/кг.