磁场中的电荷

1. 补偿地球磁场

1. 请注意，本实验中有两个独立的电路：
   1. 为产生磁场的线圈提供电流（图2）。电流由旋钮调节，电路中包含一个数字安培计，可用于测量电流大小。使用双刀双掷开关可反转供给线圈的电流方向，从而反转磁场方向。
   2. 第二个电路（图3）用于运行电子管。该电路包含一个高压电源，用于设定加速电压，以及一个连接至灯丝的6.3 V交流信号。从某种意义上说，电子从灯丝上“蒸发”出来，然后被加速电压加速。
2. 在第二个电路中，打开高压电源以启动灯丝。电子管内部亮起的光即为灯丝发光。
3. 逐渐将高压调至约2,000 V。电子束轰击电子管内部屏幕的区域应发出蓝光，从而使电子束可见。
   1. 注意，这并不意味着电子本身是蓝色的——屏幕上的涂层具有磷光性，当涂层中的原子被电子激发时会发出蓝光。
4. 调节产生均匀磁场的线圈中的电流。当电流增大或减小时，电子束的路径会发生变化。调节电流使电子束穿过网格上的某一特定（X, Y）点，并记录使电子束通过该点所需的电流大小。
5. 反转电流方向，使电子束向相反方向偏转，并调节电流直至电子束穿过点（X, −Y）（即原点的镜像点）。再次记录使电子束通过该特定点所需的电流大小。
6. 检查两个电流大小是否不同。除非电子管恰好被调整至电子束与地球磁场平行，否则当电流方向不同时，地球磁场会在一个方向上叠加于线圈磁场，在另一方向上则会抵消部分线圈磁场。
7. 在整个实验过程中，取两个电流大小的平均值——即让电子束通过网格上某一特定（X, Y）点所需的电流，以及通过其镜像点（X, −Y）所需的电流——以消除地球磁场的影响。

图2：亥姆霍兹线圈的电路图。 亥姆霍兹线圈产生的磁场强度与通过线圈的电流成正比。可调电源向线圈提供的电流由数字电流表测量。双路开关的作用是方便地反转通过线圈的电流方向，从而反转磁场方向。请注意，每个线圈的两个接线端分别标记为A和Z，两个Z端应连接在一起，以确保两个线圈产生的磁场方向相同，而非相反。

图3：电子管运行电路图。 发光的灯丝作为电子源，由6.3 V交流电源供电。注意，高压信号的负极同时连接至灯丝的一端，而正极高电压信号（约2,000–3,000 V直流）则连接至加速区右侧的电极。这在加速区内产生一个方向向左的强电场，从而将电子从左向右加速。

2. 特定 (X, Y) 和 (X, −Y) 组合的数据采集

1. 请注意，这些管子价格昂贵且较为脆弱。加速电压不得超过 3,500 V，在不进行测量时应将加速电压调至零。
2. 在本实验部分，记录五组数据，每组使用不同的加速电压，但保持相同的 (X, Y) 和 (X, −Y) 组合。
3. 注意，随着加速电压增加，电子运动速度加快，偏转程度减小，因此需要增大线圈产生的磁场，才能使电子束通过荧光屏上相同的位置。为本实验部分选择一个特定的 (X, Y) 和 (X, −Y) 点，并使用 公式 10 计算电子束轨迹对应的半径。
4. 对于某一特定的加速电压，记录使电子束通过所选 (X, Y) 点所需的电流大小。反转电流方向，再记录使电子束通过镜像点 (X, −Y) 所需的电流大小。
5. 将两个电流值取平均，以消除地球磁场的影响。
6. 将平均电流代入 公式 8，计算磁场强度。
7. 利用加速电压、半径和磁场强度的数值，计算电子的电荷-质量比的大小。
8. 选择一个新的加速电压，重复步骤 2.3–2.7，直至完成五组数据的采集。
9. 计算电子电荷-质量比大小的平均值。

3. 特定加速电压下的数据采集

1. 再收集五组数据。此次保持加速电压不变，改变电子束通过的 (X, Y) 和 (X, −Y) 点。记录数据。
2. 计算电子的平均电荷-质量比的大小。
3. 将第2节和第3节中测得的两个平均电荷-质量比取平均值，并指出实验中可能的误差来源。