Carga eléctrica en un campo magnético

Physics II

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Overview

Fuente: Andrew Duffy, PhD, Departamento de física de la Universidad de Boston, Boston, MA

Este experimento duplica el experimento famoso de J.J. Thomson al final delsiglo 19, en el que midió la relación carga a masa del electrón . En combinación con el experimento de gota de aceite de Robert A. Millikan unos años más tarde que producen un valor para la carga del electrón, los experimentos permitieron a los científicos a encontrar, por primera vez, la masa y la carga del electrón, que son parámetros fundamentales para el electrón.

Thomson no fue capaz de medir la carga del electrón o electrón masa por separado, pero fue capaz de encontrar su relación. Lo mismo es válido para esta demostración; Aunque aquí existe la ventaja de poder ver los valores de la magnitud de la carga en electrón(e) y la masa del electrón (me), que ahora ambos conocen precisamente.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Fundamentos de la física II. Carga eléctrica en un campo magnético. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Principles

En este experimento, un haz de electrones (dentro de un tubo evacuado) y un campo magnético están bajo control del experimentador. Una de las ideas claves es que un campo magnético puede aplicar una fuerza a una carga en movimiento. Si la carga tiene una velocidad de Equation 1 y el campo magnético es Equation 2 , entonces la magnitud de la fuerza está dada por:

Equation 3(Ecuación 1)

donde q es la magnitud de la carga y θ es el ángulo entre la velocidad y el campo magnético. Por el factor deθ del pecado, la fuerza es máxima cuando la velocidad y campo magnético son perpendiculares uno al otro, y no hay ninguna fuerza cuando la velocidad y el campo son paralelas entre sí.

Esta fuerza tiene una dirección. La dirección de la fuerza es perpendicular al plano definido por la velocidad y el campo magnético (en otras palabras, la fuerza es perpendicular a la velocidad y el campo magnético). La dirección exacta de la fuerza puede determinarse por la regla derecha. Una versión de la regla derecha es el siguiente:

Con la mano derecha, punto de los dedos en la dirección de la velocidad.

Pensar en el componente del campo magnético que es perpendicular a la velocidad (el componente paralela no produce ninguna fuerza). Manteniendo los dedos en la dirección de la velocidad, gire la mano hasta que la palma enfrenta a la dirección de la componente perpendicular del campo magnético.

Sobresale el pulgar. Como la carga es positiva, el pulgar debe apuntar en la dirección de la fuerza aplicada por el campo magnético sobre la carga en movimiento.

Si la carga es negativa, entonces la fuerza es en sentido contrario a la forma de los puntos del dedo pulgar.

Porque la fuerza es perpendicular a la velocidad, la fuerza no puede acelerar la partícula ni retrasarlo. La fuerza puede hacer es cambiar la dirección de la velocidad. En el caso especial que la velocidad y el campo magnético son perpendiculares uno al otro, el resultado es que la partícula cargada sigue una trayectoria circular, viajando en un círculo a velocidad constante. Esta es la definición de movimiento circular uniforme, que significa segunda ley de Newton se puede aplicar con la aceleración como la aceleración centrípeta.

En este caso:

Equation 4(Ecuación 2)

Esto puede ordenarse para encontrar una expresión para la relación carga a masa de la carga en movimiento:

Equation 5(Ecuación 3)

A los efectos de la derivación, ambos lados de la ecuación son cuadrados:

Equation 6(Ecuación 4)

Que vuelva a arregla:

Equation 7(Ecuación 5)

Esto puede parecer una cosa extraña, pero tenga en cuenta que en el numerador del lado derecho, es mitad de la energía cinética de la partícula de cargos. En el experimento, los electrones ganan energía cinética, antes de entrar en el campo magnético, por ser acelerado desde el reposo mediante una diferencia de potencial, V. Aplicando ideas de conservación de la energía:

Equation 8

por lo tanto,

Equation 9(Ecuación 6)

Insertar los resultados de la ecuación de carga a masa en:

Equation 10(Ecuación 7)

Así que en el experimento, puede encontrarse la relación carga a masa simplemente conociendo tres piezas de información, es decir, el voltaje de aceleración, la fuerza del campo magnético y el radio de la trayectoria circular seguida por las partículas cargadas.

El voltaje de aceleración V se fija con un control deslizante en la alimentación de alto voltaje fuente, con un medidor que puede utilizarse para leer el voltaje.

El campo magnético B es producido por el funcionamiento actual a través de un par de bobinas, una bobina a cada lado del tubo. Actual es leído por un amperímetro digital, y las bobinas particular utilizadas crean un campo magnético de:

Equation 11(Ecuación 8)

El radio de la trayectoria del haz se puede encontrar desde una escala bidimensional de X-Y dentro del tubo (figura 1). La corriente en las bobinas se ajusta hasta que el haz de electrones pasa a través del punto G, que tiene coordenadas (X, Y). Los valores de X e Y se pueden leer fácilmente la escala dentro del tubo. Luego, en el triángulo rectángulo mostrado en la figura 1, lado OE tiene una longitud de R-Y y lado EG tiene una longitud de X. aplicando el teorema de Pitágoras resulta en

Equation 12(Ecuación 9)

Para resolver esta ecuación para R resultados en:

Equation 13(Ecuación 10)

Esta es toda la información necesaria para determinar la relación carga a masa.

Figure 1

Figura 1: Diagrama de la geometría para el haz de electrones. Los electrones, viajando de izquierda a derecha, entrar en el campo magnético en el punto F = (0, 0) y luego se desvía por un campo magnético en una trayectoria circular que pasa por el punto G = (X, Y). El campo magnético ajustable es creado por dos bobinas (conocidas como bobinas de Helmholtz), uno a cada lado del tubo. La dirección del campo magnético en esta foto es de la página, pero el campo se puede invertir para que la viga se dobla para arriba, en vez de hacia abajo. El centro de la trayectoria circular es en el punto O. Se muestra un triángulo rectángulo, de que el radio R puede ser determinado.

Procedure

1. compensar el campo magnético de la tierra

  1. Tenga en cuenta que existen dos circuitos independientes en este experimento:
    1. Suministrar corriente a las bobinas que crean el campo magnético ( figura 2). La corriente se establece por un dial rotatorio, y el circuito incluye un amperímetro digital que permite que la corriente a medir. Un interruptor de doble polo doble tiro se utiliza para invertir la dirección de la corriente suministrada a las bobinas, que invierte el campo magnético.
    2. Del segundo circuito ( figura 3) funciona el tubo del electrón. Hay una fuente de alta tensión, que establece el voltaje de aceleración y una señal alterna de 6.3 V conectados a un filamento. Electrones son, en cierto sentido, hervido apagado el filamento y luego acelerado por el voltaje de aceleración.
  2. En el segundo circuito, encienda la fuente de alimentación de alto voltaje para encender el filamento. La luz que se enciende dentro del tubo es el filamento que brilla intensamente.
  3. Poco a poco suba el alto voltaje a cerca de 2.000 V. La parte de la pantalla dentro del tubo, que está siendo golpeado por el haz de electrones, debe resplandor azul, haciendo visible el haz de electrones.
    1. Nota que esto no significa electrones son azules - la capa en la pantalla es fosforescente y emite un brillo azul cuando los átomos de esta capa son energizados por los electrones.
  4. Ajustar la corriente a través de las bobinas, que crean el campo magnético uniforme. Como la corriente se ajusta hacia arriba o hacia abajo, cambia la trayectoria del haz. Ajustar la corriente para pasar el rayo a través de un punto particular (X, Y) en la red. Tome nota de la magnitud de la corriente que el rayo pase a través de ese punto.
  5. Invertir la corriente para la viga en la dirección opuesta de la curva y ajustar la corriente hasta que el rayo pase por el punto (X, −Y) (la imagen especular del punto original). Una vez más, toma nota de la magnitud de la corriente que el rayo pase a través de ese punto particular.
  6. Verifique si las magnitudes de las dos corrientes son diferentes. A menos que el tubo pasa a ser alineado el haz de electrones es paralelo al campo magnético de la tierra, campo de la tierra agrega al campo de las bobinas la corriente en una dirección y resta de ella cuando la corriente está en la otra dirección.
  7. Durante todo el experimento, promedio las magnitudes de las dos corrientes, la corriente necesaria para que el rayo pasen por un punto particular (X, Y) de la red y la corriente necesaria para pasar por el espejo-imagen (X, −Y), para eliminar el efecto del campo magnético de la tierra.

Figure 2

Figura 2 : Diagrama del circuito para las bobinas de Helmholtz. La fuerza del campo magnético creado por las bobinas de Helmholtz es proporcional a la corriente que pasa a través de ellos. La corriente suministrada a las bobinas por la fuente de alimentación regulable se mide con el amperímetro digital. El propósito del interruptor doble es fácil invertir el sentido de la corriente que pasa por las bobinas, que invierte la dirección del campo magnético. Tenga en cuenta que las dos conexiones a cada bobina están marcadas A y Z y dos Z debe conectarse entre sí para asegurarse de que las bobinas están produciendo campos magnéticos en la misma dirección y no en direcciones opuestas.

Figure 3

Figura 3 : Diagrama del circuito para correr el tubo del electrón. El filamento incandescente que es la fuente de los electrones está dirigido por una fuente de corriente alterna V 6.3. Tenga en cuenta que el lado negativo de la señal de alto voltaje está conectado también a un lado del filamento, mientras que la señal de positivo de alto voltaje (del orden de 2.000-3.000 V CC) está conectada a un electrodo en el lado derecho de la zona de aceleración. Esto produce un campo eléctrico dirigido de izquierda en la zona de aceleración, aceleración de los electrones de izquierda a derecha.

2. recopilación de un Particular (X, Y) y (X, − Y) combinación

  1. Tenga en cuenta que los tubos son costosos y algo frágil. No exceda de 3.500 V para el voltaje de aceleración y convertir el voltaje de aceleración a cero cuando no se están tomando medidas.
  2. En esta parte del experimento, grabar cinco conjuntos de datos, cada uno con un voltaje de aceleración diferentes con el mismo (X, Y) y (X, −Y) combinación.
  3. Tenga en cuenta que aumenta el voltaje de aceleración y los electrones viajan más rápido, no se doblan tanto, y por lo tanto, el campo magnético de las bobinas tiene que aumentar para que el rayo pase por el mismo punto de la pantalla. Elegir una en particular (X, Y) y (X, −Y) punto a usar para esta parte del experimento. Utilice la ecuación 10 para calcular el correspondiente radio de trayectoria del haz.
  4. Para un voltaje de aceleración particular, registrar la magnitud de la corriente necesaria para que el rayo pase por el punto elegido (X, Y). La corriente inversa y registrar la magnitud de la corriente necesaria para que el rayo pase por el punto imagen de espejo (X, −Y).
  5. Promedio de las dos corrientes para eliminar la influencia del campo magnético de la tierra.
  6. Utilizar la media actual en la ecuación 8 para calcular la fuerza del campo magnético.
  7. Utilizar los valores de la tensión de aceleración, radio y campo magnético para calcular la magnitud de la relación carga a masa del electrón.
  8. Elige un voltaje de aceleración de nuevo y repita los pasos 2.3-2.7. Continuar hacerlo hasta que se han recogido cinco conjuntos de datos.
  9. Calcular la magnitud de la relación carga a masa promedio para el electrón.

3. recolección de un determinado voltaje de aceleración

  1. Recoge cinco más conjuntos de datos. Esta vez, mantenga la aceleración constante de voltaje y (X, Y) y (X, −Y) puntos que el rayo pasa a través. Registrar los datos.
  2. Calcular la magnitud de la relación carga a masa promedio para el electrón.
  3. Promedio de los dos ratios de carga a masa promedio determinados de sección 2 y 3 y las fuentes posibles de error en el experimento de estado.

Electrones desempeñan el papel principal de muchas áreas de la ciencia y la tecnología, ya que poseen carga eléctrica, lo que les permite llevar actual.

Carga eléctrica q, es una propiedad física que describe si una unidad de la materia tiene más protones, lo que es de carga positiva, electrones más, lo que es carga negativa o un número igual de protones y electrones, lo que. Esta propiedad fundamental describe las interacciones electromagnéticas, donde como cargas se rechazan y enfrente de cargas se atraen.

J.J. Thomson se le atribuye el descubrimiento del electrón, donde él demostró que un rayo catódico puede ser desviado por un campo magnético en un tubo evacuado. Esto condujo a la conclusión que los electrones llevan una carga negativa permanente y activa su cálculo de la relación carga a masa de electrones.

Este video introduce el concepto de la fuerza ejercida sobre una carga en un campo magnético y el cálculo de la relación carga a masa de un electrodo con un experimento de tubo de rayos catódicos similar a la utilizada por J.J. Thomson.

Imanes permanentes, tales como barra de imanes, tienen polos norte y sur. Diferentes polos atraen, mientras que polos similares repelen. Imanes permanentes generan un campo magnético, o B, donde la dirección del campo está siempre orientada hacia el norte a sur. Del mismo modo, un campo magnético puede ser generado por cargas eléctricas en movimiento o corriente en un alambre.

La orientación del cable, como un lazo o bobina, la magnitud y la dirección de la corriente influye grandemente en el campo magnético. Como con cualquier campo del vector, puede especificarse un campo magnético en cualquier punto dado con dirección y magnitud.

Una de las propiedades clave de un campo magnético es que puede aplicar fuerza a una carga en movimiento, la magnitud de la fuerza sobre una partícula es descrita por la ley de la fuerza de Lorentz; donde fuerza es la magnitud de los tiempos de carga el producto cruzado de su velocidad y campo magnético.

La magnitud de la fuerza generada por el campo magnético entonces se puede escribir en términos del ángulo entre la velocidad y campo magnético, theta. Debido a este ángulo, la fuerza es mayor cuando la velocidad y el campo magnético son perpendiculares entre sí. No hay ninguna fuerza cuando la velocidad y el campo son paralelas entre sí.

La dirección de la fuerza es perpendicular al plano definido por la velocidad y campo magnético. La dirección de esta fuerza se puede determinar fácilmente mediante la regla de la mano derecha. La regla de la mano derecha es utilizada por apuntando los dedos de la mano derecha en la dirección de la velocidad y barrido en la dirección del campo magnético.

Cuando el pulgar se pega hacia fuera, apunta en la dirección de la fuerza aplicada por el campo magnético sobre la carga en movimiento, cuando la carga es positiva. Cuando la carga es negativa, la fuerza es la dirección opuesta.

Porque la fuerza es perpendicular a la velocidad, sólo puede cambiar la Dirección de la velocidad. Cuando la velocidad y campo magnético son perpendiculares uno al otro, la partícula cargada sigue una trayectoria circular a una velocidad constante.

Segunda ley de Newton puede ser utilizado para calcular la relación carga a masa de un electrón, donde la aceleración es la aceleración centrípeta. Cuando se combina con la ley de conservación de la energía y la ley de la fuerza de Lorentz, se puede generar una ecuación sobre la relación carga a masa y el potencial y el campo magnético.

La relación carga a masa entonces se puede calcular usando una configuración de rayos catódicos. Tres piezas de información; el voltaje de aceleración, la fuerza del campo magnético y el radio de la trayectoria circular seguida por las partículas cargadas son necesarios para el cálculo.

Ahora, vamos a demostrar este concepto y el cálculo utilizando un tubo de rayos catódicos. En este experimento, electrones son acelerados en un tubo y luego se desvía por un campo magnético aplicado. La relación carga a masa de un electrón entonces se calcula y se compara con el valor conocido.

Primero, familiarizarse con el aparato experimental. Tenga en cuenta que existen dos circuitos independientes en el aparato, el primero de los cuales genera el campo magnético.

Localizar las bobinas que generan el campo magnético y el amperímetro digital, que permite la medición de la corriente. Localice el interruptor de doble polo-doble tiro, que se utiliza para invertir la dirección de la corriente y por lo tanto invierte el campo magnético.

Suministrar corriente a las bobinas que crean el campo magnético usando el dial rotatorio.

En el segundo circuito recorre el tubo del electrón. Localizar la fuente de alta tensión, que establece que la aceleración de voltaje y una señal alterna de 6.3 V conectados a un filamento. Electrones son generadas por el filamento y acelerados por el voltaje de aceleración.

En el segundo circuito, encienda la fuente de alimentación de alto voltaje para encender el filamento. Tenga en cuenta que la luz que se enciende dentro del tubo es el filamento que brilla intensamente.

Poco a poco suba el alto voltaje a cerca de 2000 V. La parte de la pantalla dentro del tubo, que está siendo golpeado por el haz de electrones, debe brillar azul visibilizar el haz de electrones.

A continuación, ajuste la corriente a través de las bobinas, creando un campo magnético uniforme. Observar que como la corriente se ajusta hacia arriba o hacia abajo, cambia la trayectoria del haz. Ajustar la corriente para pasar el rayo a través de un punto X Y en la red. Registro de la magnitud de la corriente necesaria a este punto.

La corriente inversa para la viga en la dirección opuesta de la curva y ajustar la corriente hasta que el rayo pase por el punto X, Y: negativo o la imagen del espejo del punto original. Registro de la magnitud de la corriente. Repita para cuatro voltajes de aceleración más, utilizando el mismo XY X negativo Y puntos.

Observar que el voltaje de aceleración se incrementa y los electrones viajan más rápido, la viga dobla menos. Así la corriente de la bobina debe ser mayor para llegar a la misma X, Y punto.

A continuación, repita el experimento completo, mientras que esta vez manteniendo la tensión de aceleración constante y variando la X, Y y X, negativos Y ubicaciones. Recoge cinco conjuntos de datos, grabación de las coordenadas del punto y la magnitud actual para cada punto y su imagen del espejo.

El radio, R, de la ruta de la viga para cada voltaje de aceleración se puede calcular usando el teorema de Pitágoras.

Promedio de las dos corrientes necesarias para golpear tanto X, Y y X, negativo Y puntos para cada voltaje de aceleración eliminar el efecto del campo magnético de tierras. Lo mismo para las parejas Y variadas X, Y y X y negativas en el mismo voltaje de aceleración. Entonces utilice la corriente promedio para calcular la fuerza del campo magnético, B. En el caso de esta configuración, el campo magnético es igual a 0.00423 por la corriente.

Al variar el voltaje de aceleración, utilice el valor del campo magnético, el radio constante y el voltaje correspondiente para calcular la magnitud de la carga a la relación entre la masa de un electrón. Del mismo modo, al variar la X, Y lugares, utilice el valor del campo magnético, el voltaje constante y el radio correspondiente para calcular la relación de carga a masa del electrón.

Luego calcular la media para variables aceleración de voltaje y diferentes condiciones de ubicaciones X e Y. Estos valores del cociente calculado experimentalmente se comparan bien con la conocida relación carga a masa de un electrón.

Las partículas cargadas, que se mueven en una trayectoria circular debido a un campo magnético aplicado, tienen una amplia gama de aplicaciones en tecnología.

Espectrómetros de masas identifican componentes desconocidos de una muestra basada en su relación carga a masa. Las partículas viajan en un radio diferente dependiendo de su relación carga a masa y el voltaje de aceleración, el campo magnético aplicado. Estos parámetros permiten la separación de varios componentes.

En este ejemplo, gases volátiles fueron recogidos en un tubo de ensayo con llave y luego analizan con espectrometría de masas. Las moléculas del gas se ionizan con un ionizador de impacto de electrones. Las partículas cargadas se separa en base a su relación carga a masa.

Antes de la LCD, tecnología de pantalla LED y plasma, tubos de rayos catódicos, como la experimental establecido usado en este video, fueron la base para todas las pantallas de TV y monitores de computadora. Los tubos de rayos catódicos fueron compuestos de varios cañones de electrones, para lograr varios colores y una pantalla fluorescente para mostrar los puntos individuales.

Equipo de laboratorio común todavía utiliza pantallas de tubo de rayos catódicos, como osciloscopios básicos. La diferencia es que la deflexión de los electrones se hace vía la desviación electrostática, en lugar de desviación magnética.

Sólo ha visto la introducción de Zeus a cargas eléctricas en un campo magnético. Ahora usted debe entender cómo los electrones son influenciados por campos magnéticos y cómo utilizar un campo magnético para determinar la relación carga a masa de un electrón. ¡Gracias por ver!

Applications and Summary

Por primera vez por J.J. Thomson en los finalesdel siglo 19, este experimento demostró la existencia del electrón, lo que es un experimento muy importante desde una perspectiva histórica. Electrones han sido explotados desde entonces en innumerables dispositivos electrónicos.

La siguiente es una lista de algunas aplicaciones de partículas cargadas que viajan en trayectorias circulares o en espiral, y así viaja en un campo magnético:

1) la formación de la aurora boreal (Aurora Borealis) y el Southern Lights (Aurora Australis) por partículas cargadas que espiral alrededor de las líneas de campo magnético de la tierra y depositan su energía en las regiones polares.

2) un cátodo – ray tubo, que solía ser la base para todos los televisores, antes de las nuevas tecnologías de pantallas LCD, LED y plasma.

Espectrómetro de masas A 3). Algunos espectrómetros de masas separan los iones basados en su masa doblando sus trayectorias en trayectorias circulares usando un campo magnético. El radio de la trayectoria de un ion particular es proporcional a su masa.

4) el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), que es el instrumento de circunferencia de 27 km famoso enterrado subterráneo a lo largo de la frontera con Francia, Suiza, donde los físicos recientemente realizaban experimentos para probar la existencia del bosón de Higgs, que es responsable de por qué las partículas tienen masa.

1. compensar el campo magnético de la tierra

  1. Tenga en cuenta que existen dos circuitos independientes en este experimento:
    1. Suministrar corriente a las bobinas que crean el campo magnético ( figura 2). La corriente se establece por un dial rotatorio, y el circuito incluye un amperímetro digital que permite que la corriente a medir. Un interruptor de doble polo doble tiro se utiliza para invertir la dirección de la corriente suministrada a las bobinas, que invierte el campo magnético.
    2. Del segundo circuito ( figura 3) funciona el tubo del electrón. Hay una fuente de alta tensión, que establece el voltaje de aceleración y una señal alterna de 6.3 V conectados a un filamento. Electrones son, en cierto sentido, hervido apagado el filamento y luego acelerado por el voltaje de aceleración.
  2. En el segundo circuito, encienda la fuente de alimentación de alto voltaje para encender el filamento. La luz que se enciende dentro del tubo es el filamento que brilla intensamente.
  3. Poco a poco suba el alto voltaje a cerca de 2.000 V. La parte de la pantalla dentro del tubo, que está siendo golpeado por el haz de electrones, debe resplandor azul, haciendo visible el haz de electrones.
    1. Nota que esto no significa electrones son azules - la capa en la pantalla es fosforescente y emite un brillo azul cuando los átomos de esta capa son energizados por los electrones.
  4. Ajustar la corriente a través de las bobinas, que crean el campo magnético uniforme. Como la corriente se ajusta hacia arriba o hacia abajo, cambia la trayectoria del haz. Ajustar la corriente para pasar el rayo a través de un punto particular (X, Y) en la red. Tome nota de la magnitud de la corriente que el rayo pase a través de ese punto.
  5. Invertir la corriente para la viga en la dirección opuesta de la curva y ajustar la corriente hasta que el rayo pase por el punto (X, −Y) (la imagen especular del punto original). Una vez más, toma nota de la magnitud de la corriente que el rayo pase a través de ese punto particular.
  6. Verifique si las magnitudes de las dos corrientes son diferentes. A menos que el tubo pasa a ser alineado el haz de electrones es paralelo al campo magnético de la tierra, campo de la tierra agrega al campo de las bobinas la corriente en una dirección y resta de ella cuando la corriente está en la otra dirección.
  7. Durante todo el experimento, promedio las magnitudes de las dos corrientes, la corriente necesaria para que el rayo pasen por un punto particular (X, Y) de la red y la corriente necesaria para pasar por el espejo-imagen (X, −Y), para eliminar el efecto del campo magnético de la tierra.

Figure 2

Figura 2 : Diagrama del circuito para las bobinas de Helmholtz. La fuerza del campo magnético creado por las bobinas de Helmholtz es proporcional a la corriente que pasa a través de ellos. La corriente suministrada a las bobinas por la fuente de alimentación regulable se mide con el amperímetro digital. El propósito del interruptor doble es fácil invertir el sentido de la corriente que pasa por las bobinas, que invierte la dirección del campo magnético. Tenga en cuenta que las dos conexiones a cada bobina están marcadas A y Z y dos Z debe conectarse entre sí para asegurarse de que las bobinas están produciendo campos magnéticos en la misma dirección y no en direcciones opuestas.

Figure 3

Figura 3 : Diagrama del circuito para correr el tubo del electrón. El filamento incandescente que es la fuente de los electrones está dirigido por una fuente de corriente alterna V 6.3. Tenga en cuenta que el lado negativo de la señal de alto voltaje está conectado también a un lado del filamento, mientras que la señal de positivo de alto voltaje (del orden de 2.000-3.000 V CC) está conectada a un electrodo en el lado derecho de la zona de aceleración. Esto produce un campo eléctrico dirigido de izquierda en la zona de aceleración, aceleración de los electrones de izquierda a derecha.

2. recopilación de un Particular (X, Y) y (X, − Y) combinación

  1. Tenga en cuenta que los tubos son costosos y algo frágil. No exceda de 3.500 V para el voltaje de aceleración y convertir el voltaje de aceleración a cero cuando no se están tomando medidas.
  2. En esta parte del experimento, grabar cinco conjuntos de datos, cada uno con un voltaje de aceleración diferentes con el mismo (X, Y) y (X, −Y) combinación.
  3. Tenga en cuenta que aumenta el voltaje de aceleración y los electrones viajan más rápido, no se doblan tanto, y por lo tanto, el campo magnético de las bobinas tiene que aumentar para que el rayo pase por el mismo punto de la pantalla. Elegir una en particular (X, Y) y (X, −Y) punto a usar para esta parte del experimento. Utilice la ecuación 10 para calcular el correspondiente radio de trayectoria del haz.
  4. Para un voltaje de aceleración particular, registrar la magnitud de la corriente necesaria para que el rayo pase por el punto elegido (X, Y). La corriente inversa y registrar la magnitud de la corriente necesaria para que el rayo pase por el punto imagen de espejo (X, −Y).
  5. Promedio de las dos corrientes para eliminar la influencia del campo magnético de la tierra.
  6. Utilizar la media actual en la ecuación 8 para calcular la fuerza del campo magnético.
  7. Utilizar los valores de la tensión de aceleración, radio y campo magnético para calcular la magnitud de la relación carga a masa del electrón.
  8. Elige un voltaje de aceleración de nuevo y repita los pasos 2.3-2.7. Continuar hacerlo hasta que se han recogido cinco conjuntos de datos.
  9. Calcular la magnitud de la relación carga a masa promedio para el electrón.

3. recolección de un determinado voltaje de aceleración

  1. Recoge cinco más conjuntos de datos. Esta vez, mantenga la aceleración constante de voltaje y (X, Y) y (X, −Y) puntos que el rayo pasa a través. Registrar los datos.
  2. Calcular la magnitud de la relación carga a masa promedio para el electrón.
  3. Promedio de los dos ratios de carga a masa promedio determinados de sección 2 y 3 y las fuentes posibles de error en el experimento de estado.

Electrones desempeñan el papel principal de muchas áreas de la ciencia y la tecnología, ya que poseen carga eléctrica, lo que les permite llevar actual.

Carga eléctrica q, es una propiedad física que describe si una unidad de la materia tiene más protones, lo que es de carga positiva, electrones más, lo que es carga negativa o un número igual de protones y electrones, lo que. Esta propiedad fundamental describe las interacciones electromagnéticas, donde como cargas se rechazan y enfrente de cargas se atraen.

J.J. Thomson se le atribuye el descubrimiento del electrón, donde él demostró que un rayo catódico puede ser desviado por un campo magnético en un tubo evacuado. Esto condujo a la conclusión que los electrones llevan una carga negativa permanente y activa su cálculo de la relación carga a masa de electrones.

Este video introduce el concepto de la fuerza ejercida sobre una carga en un campo magnético y el cálculo de la relación carga a masa de un electrodo con un experimento de tubo de rayos catódicos similar a la utilizada por J.J. Thomson.

Imanes permanentes, tales como barra de imanes, tienen polos norte y sur. Diferentes polos atraen, mientras que polos similares repelen. Imanes permanentes generan un campo magnético, o B, donde la dirección del campo está siempre orientada hacia el norte a sur. Del mismo modo, un campo magnético puede ser generado por cargas eléctricas en movimiento o corriente en un alambre.

La orientación del cable, como un lazo o bobina, la magnitud y la dirección de la corriente influye grandemente en el campo magnético. Como con cualquier campo del vector, puede especificarse un campo magnético en cualquier punto dado con dirección y magnitud.

Una de las propiedades clave de un campo magnético es que puede aplicar fuerza a una carga en movimiento, la magnitud de la fuerza sobre una partícula es descrita por la ley de la fuerza de Lorentz; donde fuerza es la magnitud de los tiempos de carga el producto cruzado de su velocidad y campo magnético.

La magnitud de la fuerza generada por el campo magnético entonces se puede escribir en términos del ángulo entre la velocidad y campo magnético, theta. Debido a este ángulo, la fuerza es mayor cuando la velocidad y el campo magnético son perpendiculares entre sí. No hay ninguna fuerza cuando la velocidad y el campo son paralelas entre sí.

La dirección de la fuerza es perpendicular al plano definido por la velocidad y campo magnético. La dirección de esta fuerza se puede determinar fácilmente mediante la regla de la mano derecha. La regla de la mano derecha es utilizada por apuntando los dedos de la mano derecha en la dirección de la velocidad y barrido en la dirección del campo magnético.

Cuando el pulgar se pega hacia fuera, apunta en la dirección de la fuerza aplicada por el campo magnético sobre la carga en movimiento, cuando la carga es positiva. Cuando la carga es negativa, la fuerza es la dirección opuesta.

Porque la fuerza es perpendicular a la velocidad, sólo puede cambiar la Dirección de la velocidad. Cuando la velocidad y campo magnético son perpendiculares uno al otro, la partícula cargada sigue una trayectoria circular a una velocidad constante.

Segunda ley de Newton puede ser utilizado para calcular la relación carga a masa de un electrón, donde la aceleración es la aceleración centrípeta. Cuando se combina con la ley de conservación de la energía y la ley de la fuerza de Lorentz, se puede generar una ecuación sobre la relación carga a masa y el potencial y el campo magnético.

La relación carga a masa entonces se puede calcular usando una configuración de rayos catódicos. Tres piezas de información; el voltaje de aceleración, la fuerza del campo magnético y el radio de la trayectoria circular seguida por las partículas cargadas son necesarios para el cálculo.

Ahora, vamos a demostrar este concepto y el cálculo utilizando un tubo de rayos catódicos. En este experimento, electrones son acelerados en un tubo y luego se desvía por un campo magnético aplicado. La relación carga a masa de un electrón entonces se calcula y se compara con el valor conocido.

Primero, familiarizarse con el aparato experimental. Tenga en cuenta que existen dos circuitos independientes en el aparato, el primero de los cuales genera el campo magnético.

Localizar las bobinas que generan el campo magnético y el amperímetro digital, que permite la medición de la corriente. Localice el interruptor de doble polo-doble tiro, que se utiliza para invertir la dirección de la corriente y por lo tanto invierte el campo magnético.

Suministrar corriente a las bobinas que crean el campo magnético usando el dial rotatorio.

En el segundo circuito recorre el tubo del electrón. Localizar la fuente de alta tensión, que establece que la aceleración de voltaje y una señal alterna de 6.3 V conectados a un filamento. Electrones son generadas por el filamento y acelerados por el voltaje de aceleración.

En el segundo circuito, encienda la fuente de alimentación de alto voltaje para encender el filamento. Tenga en cuenta que la luz que se enciende dentro del tubo es el filamento que brilla intensamente.

Poco a poco suba el alto voltaje a cerca de 2000 V. La parte de la pantalla dentro del tubo, que está siendo golpeado por el haz de electrones, debe brillar azul visibilizar el haz de electrones.

A continuación, ajuste la corriente a través de las bobinas, creando un campo magnético uniforme. Observar que como la corriente se ajusta hacia arriba o hacia abajo, cambia la trayectoria del haz. Ajustar la corriente para pasar el rayo a través de un punto X Y en la red. Registro de la magnitud de la corriente necesaria a este punto.

La corriente inversa para la viga en la dirección opuesta de la curva y ajustar la corriente hasta que el rayo pase por el punto X, Y: negativo o la imagen del espejo del punto original. Registro de la magnitud de la corriente. Repita para cuatro voltajes de aceleración más, utilizando el mismo XY X negativo Y puntos.

Observar que el voltaje de aceleración se incrementa y los electrones viajan más rápido, la viga dobla menos. Así la corriente de la bobina debe ser mayor para llegar a la misma X, Y punto.

A continuación, repita el experimento completo, mientras que esta vez manteniendo la tensión de aceleración constante y variando la X, Y y X, negativos Y ubicaciones. Recoge cinco conjuntos de datos, grabación de las coordenadas del punto y la magnitud actual para cada punto y su imagen del espejo.

El radio, R, de la ruta de la viga para cada voltaje de aceleración se puede calcular usando el teorema de Pitágoras.

Promedio de las dos corrientes necesarias para golpear tanto X, Y y X, negativo Y puntos para cada voltaje de aceleración eliminar el efecto del campo magnético de tierras. Lo mismo para las parejas Y variadas X, Y y X y negativas en el mismo voltaje de aceleración. Entonces utilice la corriente promedio para calcular la fuerza del campo magnético, B. En el caso de esta configuración, el campo magnético es igual a 0.00423 por la corriente.

Al variar el voltaje de aceleración, utilice el valor del campo magnético, el radio constante y el voltaje correspondiente para calcular la magnitud de la carga a la relación entre la masa de un electrón. Del mismo modo, al variar la X, Y lugares, utilice el valor del campo magnético, el voltaje constante y el radio correspondiente para calcular la relación de carga a masa del electrón.

Luego calcular la media para variables aceleración de voltaje y diferentes condiciones de ubicaciones X e Y. Estos valores del cociente calculado experimentalmente se comparan bien con la conocida relación carga a masa de un electrón.

Las partículas cargadas, que se mueven en una trayectoria circular debido a un campo magnético aplicado, tienen una amplia gama de aplicaciones en tecnología.

Espectrómetros de masas identifican componentes desconocidos de una muestra basada en su relación carga a masa. Las partículas viajan en un radio diferente dependiendo de su relación carga a masa y el voltaje de aceleración, el campo magnético aplicado. Estos parámetros permiten la separación de varios componentes.

En este ejemplo, gases volátiles fueron recogidos en un tubo de ensayo con llave y luego analizan con espectrometría de masas. Las moléculas del gas se ionizan con un ionizador de impacto de electrones. Las partículas cargadas se separa en base a su relación carga a masa.

Antes de la LCD, tecnología de pantalla LED y plasma, tubos de rayos catódicos, como la experimental establecido usado en este video, fueron la base para todas las pantallas de TV y monitores de computadora. Los tubos de rayos catódicos fueron compuestos de varios cañones de electrones, para lograr varios colores y una pantalla fluorescente para mostrar los puntos individuales.

Equipo de laboratorio común todavía utiliza pantallas de tubo de rayos catódicos, como osciloscopios básicos. La diferencia es que la deflexión de los electrones se hace vía la desviación electrostática, en lugar de desviación magnética.

Sólo ha visto la introducción de Zeus a cargas eléctricas en un campo magnético. Ahora usted debe entender cómo los electrones son influenciados por campos magnéticos y cómo utilizar un campo magnético para determinar la relación carga a masa de un electrón. ¡Gracias por ver!

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