Ładunek elektryczny w polu magnetycznym

1. Kompensacja pola magnetycznego Ziemi

1. Zauważ, że w tym eksperymencie istnieją dwa niezależne obwody:
   1. Doprowadź prąd do cewek wytwarzających pole magnetyczne ( Rysunek 2). Prąd jest ustawiany za pomocą pokrętła, a w obwodzie znajduje się amperomierz cyfrowy, który umożliwia pomiar prądu. Dwubiegunowy przełącznik dwupołożeniowy służy do odwrócenia kierunku prądu dostarczanego do cewek, co powoduje odwrócenie pola magnetycznego.
   2. Drugi obwód ( Rysunek 3) uruchamia lampę elektronową. Do żarnika podłączony jest zasilacz wysokonapięciowy, który ustawia napięcie przyspieszające oraz sygnał zmienny 6,3 V. Elektrony są w pewnym sensie wyparowywane z żarnika, a następnie przyspieszane przez przyspieszające napięcie.
2. W drugim obwodzie włącz zasilanie wysokonapięciowe, aby włączyć żarnik. Światło, które włącza się wewnątrz rury, to żarzące się żarnik.
3. Stopniowo zwiększaj wysokie napięcie do około 2,000 V. Część ekranu wewnątrz rury, w którą uderza wiązka elektronów, powinna świecić na niebiesko, dzięki czemu wiązka elektronów będzie widoczna.
   1. Zauważ, że nie oznacza to, że elektrony są niebieskie - powłoka na ekranie jest fosforyzująca i wydziela niebieską poświatę, gdy atomy tej powłoki są energetyzowane przez elektrony.
4. Dostosuj prąd przepływający przez cewki, które tworzą jednolite pole magnetyczne. Gdy prąd jest regulowany w górę lub w dół, zmienia się ścieżka wiązki. Dostosuj prąd, aby przepuścić wiązkę przez określony punkt (X, Y) na siatce. Zwróć uwagę na wielkość prądu wymaganego do przejścia wiązki przez ten punkt.
5. Odwróć prąd, aby zakrzywić wiązkę w przeciwnym kierunku i dostosuj prąd, aż wiązka przejdzie przez punkt (X, −Y) (lustrzane odbicie pierwotnego punktu). Ponownie zwróć uwagę na wielkość prądu wymaganego do przejścia wiązki przez ten konkretny punkt.
6. Sprawdź, czy wielkości tych dwóch prądów są różne. O ile rura nie jest ustawiona tak, że wiązka elektronów jest równoległa do pola magnetycznego Ziemi, pole Ziemi dodaje się do pola cewek, gdy prąd jest w jednym kierunku i odejmuje od niego, gdy prąd jest w drugim kierunku.
7. W trakcie eksperymentu należy uśrednić wielkości dwóch prądów, prąd wymagany do przejścia wiązki przez określony punkt (X, Y) na siatce oraz prąd wymagany do przejścia przez punkt odbicia lustrzanego (X, −Y), aby usunąć wpływ pola magnetycznego Ziemi.

Rysunek 2: Schemat obwodu cewek Helmholtza. Siła pola magnetycznego wytwarzanego przez cewki Helmholtza jest proporcjonalna do przepływającego przez nie prądu. Prąd dostarczany do cewek przez regulowany zasilacz jest mierzony przez amperomierz cyfrowy. Zadaniem podwójnego przełącznika jest łatwe odwrócenie kierunku prądu przepływającego przez cewki, co powoduje odwrócenie kierunku pola magnetycznego. Należy pamiętać, że dwa połączenia z każdą cewką są oznaczone jako A i Z, a dwa Z powinny być połączone ze sobą, aby zapewnić, że cewki wytwarzają pola magnetyczne w tym samym kierunku, a nie w przeciwnych kierunkach.

Rysunek 3: Schemat obwodu do uruchamiania lampy elektronowej. Żarzące się żarnik, które jest źródłem elektronów, jest zasilany przez źródło prądu przemiennego o napięciu 6,3 V. Należy zauważyć, że ujemna strona sygnału wysokiego napięcia jest również podłączona do jednej strony żarnika, podczas gdy dodatni sygnał wysokiego napięcia (rzędu 2 000-3 000 V DC) jest podłączony do elektrody po prawej stronie strefy przyspieszenia. Powoduje to wytwarzanie dużego pola elektrycznego skierowanego w lewo w strefie przyspieszenia, przyspieszającego elektrony od lewej do prawej.

2. Zbieranie danych dla określonej kombinacji (x, y) i (x, − y)

1. Zwróć uwagę, że rurki są drogie i nieco delikatne. Nie przekraczaj 3,500 V dla napięcia przyspieszającego i zmniejsz napięcie przyspieszania do zera, gdy pomiary nie są wykonywane.
2. W tej części eksperymentu zapisz pięć zestawów danych, z których każdy ma inne napięcie przyspieszające z tą samą kombinacją (X, Y) i (X, −Y).
3. Zauważ, że wraz ze wzrostem przyspieszającego napięcia i szybszym przemieszczaniem się elektronów nie uginają się tak bardzo, a zatem pole magnetyczne z cewek musi zostać zwiększone, aby wiązka przeszła przez ten sam punkt na ekranie. Wybierz konkretny punkt (X, Y) i (X, −Y), który ma zostać użyty w tej części eksperymentu. Użyj równania 10, aby obliczyć odpowiedni promień ścieżki belki.
4. Dla określonego napięcia przyspieszającego zapisz wielkość prądu potrzebnego do przejścia wiązki przez wybrany punkt (X, Y). Odwróć prąd i zapisz wielkość prądu potrzebną do przejścia wiązki przez punkt odbicia lustrzanego (X, −Y).
5. Uśrednij oba prądy, aby usunąć wpływ pola magnetycznego Ziemi.
6. Użyj średniego prądu z równania 8, aby obliczyć siłę pola magnetycznego.
7. Użyj wartości przyspieszającego napięcia, promienia i pola magnetycznego, aby obliczyć wielkość stosunku ładunku do masy elektronu.
8. Wybierz nowe napięcie przyspieszające i powtórz kroki 2.3-2.7. Kontynuuj tę czynność, aż zostanie zebranych pięć zestawów danych.
9. Oblicz wielkość średniego stosunku ładunku do masy elektronu.

3. Zbieranie danych dla określonego napięcia przyspieszającego

1. Zbierz pięć dodatkowych zestawów danych. Tym razem utrzymuj stałe napięcie przyspieszające i zmień punkty (X, Y) i (X, −Y), przez które przechodzi wiązka. Zapisz dane.
2. Oblicz wielkość średniego stosunku ładunku do masy elektronu.
3. Uśrednić dwa średnie stosunki ładunku do masy wyznaczone na podstawie sekcji 2 i 3 i określić możliwe źródła błędów w doświadczeniu.