Elektrische Ladung in einem Magnetfeld

Physics II

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Overview

Quelle: Andrew Duffy, PhD, Department of Physics, Boston University, Boston, MA

Dieses Experiment dupliziert J.J. Thomsons berühmte Experiment am Ende des19. Jahrhunderts, in der er die Ladungs-Masse-Verhältnis des Elektrons gemessen . In Kombination mit Millikans Öltropfen Experiment ein paar Jahre später, die einen Wert für die Ladung des Elektrons erzeugt, aktiviert die Experimente Wissenschaftler zu finden zum ersten Mal, die Masse und die Ladung des Elektrons, die Schlüsselparameter für die Elektronen sind.

Thomson war nicht in der Lage, die Ladung des Elektrons oder das Elektron Masse separat zu messen, aber er war in der Lage, ihr Verhältnis zu finden. Das gleiche gilt für diese Demonstration; Hier gibt es zwar der Vorteil, dass die Werte für die Größe der Ladung des Elektrons nachschlagen(e) und die Masse des Elektrons (m-e), die nun beide genau bekannt sind.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Grundlagen der Physik II. Elektrische Ladung in einem Magnetfeld. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Principles

In diesem Experiment ein Strahl von Elektronen (in einer evakuierten Röhre) und ein magnetisches Feld werden der Experimentator kontrolliert. Eine der wichtigsten Ideen ist, dass ein Magnetfeld eine Kraft auf einer bewegten Ladung anwenden können. Wenn die Gebühr eine Geschwindigkeit Equation 1 und das Magnetfeld ist Equation 2 , dann die Größe der Kraft von gegeben ist:

Equation 3(Gleichung 1)

wo q ist die Größe der Ladung und θ ist der Winkel zwischen der Geschwindigkeit und das magnetische Feld. Aufgrund der Sündeθ Faktor ist die Kraft maximal, wenn die Geschwindigkeit und das Magnetfeld senkrecht zu einander sind und es keine Kraft, gibt wenn die Geschwindigkeit und das Feld parallel zueinander sind.

Diese Kraft hat eine Richtung. Die Richtung der Kraft senkrecht zur Ebene durch die Geschwindigkeit und das magnetische Feld definiert ist (das heißt, die Kraft ist, die Geschwindigkeit und das Magnetfeld senkrecht). Die genaue Richtung der Kraft kann durch die Rechte-Hand-Regel bestimmt werden. Eine Version von der Rechte-Hand-Regel lautet wie folgt:

Mit der rechten Hand, die Finger zeigen Sie in Richtung der Geschwindigkeit.

Denken Sie an die Komponente des Magnetfelds, die senkrecht zur Geschwindigkeit steht (die parallele Komponente erzeugt keine Kraft). Halten den Finger in die Richtung der Geschwindigkeit, die Hand drehen Sie, bis die Handfläche in die Richtung der senkrechte Komponente des magnetischen Feldes zeigt.

Der Daumen durchzuhalten. Solange die Ladung positiv ist, sollte der Daumen in Richtung der Krafteinwirkung durch das Magnetfeld auf der bewegten Ladung zeigen.

Wenn die Ladung negativ ist, dann ist die Kraft in die entgegengesetzte Richtung der Art und Weise die Daumen-Punkte.

Weil die Kraft senkrecht zur Geschwindigkeit, kann die Kraft weder das Teilchen beschleunigen noch verlangsamen. Alles, was die Kraft tun kann ist, die Richtung der Geschwindigkeit ändern. Im speziellen Fall, dass die Geschwindigkeit und das Magnetfeld senkrecht zu einander sind, ist das Ergebnis, dass die geladenen Teilchen folgt eine Kreisbahn in einem Kreis mit konstanter Geschwindigkeit zu reisen. Dies ist die Definition der einheitlichen Kreisbewegung, was bedeutet, dass Newtons zweite Gesetz mit der Beschleunigung als die zentripetale Beschleunigung angewendet werden kann.

In diesem Fall:

Equation 4(Gleichung 2)

Dies kann neu angeordnet werden, um einen Ausdruck für die Ladungs-Masse-Verhältnis von der bewegten Ladung zu finden:

Equation 5(Gleichung 3)

Für die Zwecke der Ableitung werden beide Seiten der Gleichung quadriert:

Equation 6(Gleichung 4)

Die neu ordnet, um:

Equation 7(Gleichung 5)

Dies könnte aussehen wie eine seltsame Sache zu tun, aber beachten, dass im Zähler auf der rechten Seite gibt es die Hälfte die kinetische Energie des Partikels Gebühren. Im Experiment gewinnen die Elektronen kinetische Energie vor dem Eintritt in das Magnetfeld durch forciert vom Rest durch eine Potentialdifferenz, V. Anwendung von Energieeinsparung Ideen:

Equation 8

Also

Equation 9(Gleichung 6)

Einfügen, die in der Ladungs-Masse-Gleichung resultiert:

Equation 10(Gleichung 7)

Also im Experiment die Ladungs-Masse-Verhältnis finden Sie einfach wissen, drei Stücke von Informationen, nämlich die Beschleunigungsspannung, die Stärke des Magnetfeldes und der Radius der Kreisbahn, gefolgt von geladenen Teilchen.

Die Beschleunigungsspannung gestellten V mit ein Schieberegler auf der Hochspannungs-Stromversorgung liefern, mit einem Meter, der verwendet werden kann, die Spannung zu lesen.

Das Magnetfeld B wird durch Strom, der durch ein paar Spulen mit einer Spule auf jeder Seite des Rohres hergestellt. Die aktuellen ich durch eine digitale Amperemeter gelesen wird, und die besonderen Spulen verwendet erzeugen ein Magnetfeld von:

Equation 11(Gleichung 8)

Der Radius des Pfades des Balkens finden Sie aus einer zweidimensionalen X-Y-Skala im Inneren des Rohres (Abbildung 1). Der Strom in den Spulen wird angepasst, bis der Elektronenstrahl Punkt G, durchläuft die Koordinaten (X, Y) hat. Die X- und Y-Werte können die Waage in der Röhre leicht abgelesen werden. Dann im rechtwinkligen Dreieck in Abbildung 1dargestellte Seite OE hat eine Länge von R-Y, und Seite EG hat eine Länge von X. Anwendung ergibt sich der Satz des Pythagoras

Equation 12(Gleichung 9)

Lösung dieser Gleichung für R ergibt:

Equation 13(Gleichung 10)

Dies sind alle Informationen, die erforderlich, um die Ladungs-Masse-Verhältnis zu ermitteln.

Figure 1

Abbildung 1: Schematische Darstellung der Geometrie für den Elektronenstrahl. Die Elektronen Reisen links nach rechts, geben Sie das magnetische Feld in Punkt F = (0, 0) und werden dann in einer Kreisbahn, die durch Punkt G verläuft durch ein Magnetfeld abgelenkt = (X, Y). Das verstellbare Magnetfeld entsteht durch zwei Spulen (bekannt als Helmholtzspulen), auf beiden Seiten des Rohres. Die Richtung des magnetischen Feldes in diesem Bild ist aus der Seite heraus, aber das Feld kann umgekehrt werden, so dass der Strahl auf, beugt sich statt nach unten. Das Zentrum der Kreisbahn befindet sich im Punkt O. Ein rechtwinkliges Dreieck wird angezeigt, aus denen der Radius R bestimmt werden kann.

Procedure

1. das Erdmagnetfeld zu kompensieren

  1. Beachten Sie, dass in diesem Experiment gibt es zwei unabhängige Stromkreise:
    1. Stromversorgung an den Spulen, die das magnetische Feld ( Abbildung 2) zu erstellen. Der Strom wird durch ein Drehknopf eingestellt, und die Schaltung enthält eine digitale Amperemeter, mit dem den Strom gemessen werden kann. Ein zweipolig Doppel-Throw-Schalter dient zum Umkehren der Richtung des Stromes an den Spulen geliefert, das magnetische Feld umkehrt.
    2. Die zweite Schaltung ( Abbildung 3) läuft die Elektronenröhre. Gibt es eine Hochspannungsversorgung, setzt die Beschleunigungsspannung und einem alternierenden Signal 6,3 V mit einem Filament verbunden. Elektronen sind in gewissem Sinn, gekocht aus dem Filament und dann durch die Beschleunigungsspannung beschleunigt.
  2. Schalten Sie in der zweiten Schaltung die Hochspannungs-Stromversorgung einschalten das Filament. Das Licht, das im Inneren der Röhre schaltet ist die glühende Wendel.
  3. Nach und nach die Hochspannung auf ca. 2.000 V aufdrehen. Teil des Bildschirms in der Röhre, die durch den Elektronenstrahl betroffen ist, sollte leuchten blau, den Elektronenstrahl sichtbar zu machen.
    1. Beachten Sie, dass dies nicht bedeutet, dass Elektronen sind blau - die Beschichtung auf dem Bildschirm ist phosphoreszierende und ein blaues Licht abgibt, wenn die Atome dieser Beschichtung von den Elektronen angezogen werden.
  4. Stellen Sie den Strom durch die Spulen, die das einheitliche Magnetfeld zu erzeugen. Da der Strom nach oben oder unten angepasst ist, ändert den Pfad des Balkens. Stellen Sie den Strom um den Strahl über einen bestimmten (X, Y) in der Startaufstellung zu übergeben. Notieren Sie die Größe des Stromes erforderlich, um den Strahl diesen Punkt durchlaufen haben.
  5. Den Strom auf den Balken in die entgegengesetzte Richtung Kurve umzukehren, und passen Sie den aktuellen, bis der Strahl durch den Punkt (X, −Y) verläuft (das Spiegelbild der ursprünglichen Punkte). Wieder, notieren Sie sich die Größe des Stromes erforderlich, um den Strahl diesen speziellen Punkt durchlaufen haben.
  6. Überprüfen Sie, ob die Größen der beiden Strömungen unterscheiden. Es sei denn, das Rohr passiert ausgerichtet werden, so ist der Elektronenstrahl parallel zum Erdmagnetfeld, hinzugefügt das Feld der Spulen Feld der Erde, wenn der Strom in einer Richtung und subtrahiert, wenn der Strom in die andere Richtung ist.
  7. Während das Experiment durchschnittliche die Größen der beiden Ströme, der Strom benötigt, um den Strahl zu haben durchlaufen einen bestimmten (X, Y) Punkt in der Startaufstellung, und der Strom erforderlich, durch die spiegelbildliche Punkt (X, −Y), um die Wirkung des magnetischen Feldes der Erde zu entfernen.

Figure 2

Abbildung 2 : Schaltplan für die Helmholtzspulen. Die Stärke des Magnetfeldes erstellt von der Helmholtzspulen ist proportional zum Strom durch sie. An den Spulen vom einstellbaren Netzteil gelieferte Strom wird durch das digitale Amperemeter gemessen. Die Doppelschaltung soll leicht umkehren der Richtung der Strom durch die Spulen, die Richtung des magnetischen Feldes umkehrt. Beachten Sie, dass die zwei Anschlüsse an jeder Spule gekennzeichnet sind A und Z und die beiden Z sollten miteinander verbunden werden, um sicherzustellen, dass die Spulen Magnetfelder in die gleiche Richtung und nicht in entgegengesetzte Richtungen produzieren.

Figure 3

Abbildung 3 : Schaltplan für die Ausführung der Elektronenröhre. Die glühende Wendel, die die Quelle der Elektronen ist wird von einem 6,3 V Wechselstrom Quelle geführt. Beachten Sie, dass die negative Seite des Hochspannungs-Signals auch auf der einen Seite des Fadens, verbunden ist, während das positive Hochspannung-Signal (in der Größenordnung von 2.000-3.000 V DC) mit einer Elektrode auf der rechten Seite der Beschleunigungszone verbunden ist. Dies führt zu ein großen elektrischen Feld links in die Beschleunigungszone beschleunigt die Elektronen von links nach rechts gerichtet.

2. Datenerhebung für eine bestimmte (X, Y) und (X, Y −) Kombination

  1. Beachten Sie, dass die Röhren teuer und etwas zerbrechlich sind. Nicht mehr als 3.500 V für die Beschleunigungsspannung, und dreht die Beschleunigungsspannung auf Null, wenn Messungen nicht getroffen werden.
  2. In diesem Teil des Experiments, nehmen fünf Datensätze, jeweils mit einer anderen beschleunigende Spannung mit der gleichen (X, Y) und (X, −Y) Kombination.
  3. Beachten Sie, dass die Beschleunigungsspannung erhöht und die Elektronen schneller fahren, biegen sie nicht so viel und das magnetische Feld von den Spulen muss daher erhöht werden, um den Strahl der gleichen Stelle auf dem Bildschirm durchlaufen haben. Wählen Sie eine bestimmte (X, Y) und (X, −Y) Punkt, der für diesen Teil des Experiments verwendet. Verwenden Sie Gleichung 10 , um den entsprechenden Radius der Strahlengang zu berechnen.
  4. Zeichnen Sie für eine bestimmte Beschleunigungsspannung das Ausmaß des Stromes notwendig, um den Strahl durch den gewählten (X, Y) Punkt verläuft. Umzukehren Sie die aktuelle, und notieren Sie die Größe des Stroms benötigt, um den Strahl der Spiegelbild Punkt (X, −Y) durchlaufen haben.
  5. Durchschnitt der beiden Strömungen um den Einfluss des Erdmagnetfeldes zu entfernen.
  6. Verwenden Sie die durchschnittliche Stromstärke in Gleichung 8 um die Stärke des magnetischen Feldes zu berechnen.
  7. Verwenden Sie die Werte von beschleunigende Spannung, Radius und Magnetfeld, um das Ausmaß der Ladungs-Masse-Verhältnis des Elektrons zu berechnen.
  8. Wählen Sie eine neue Beschleunigungsspannung, und wiederholen Sie die Schritte 2,3 bis 2,7. Weiter, dies zu tun, bis fünf Sätze von Daten gesammelt worden sind.
  9. Das Ausmaß der durchschnittlichen Ladungs-Masse-Verhältnis für das Elektron zu berechnen.

3. Datenerhebung für eine bestimmte Spannung zu beschleunigen

  1. Sammeln Sie fünf weitere Datensätze. Dieses Mal die beschleunigende Spannung konstant halten und ändern (X, Y) und (X, −Y) Punkte, die der Strahl durchläuft. Notieren Sie die Daten.
  2. Das Ausmaß der durchschnittlichen Ladungs-Masse-Verhältnis für das Elektron zu berechnen.
  3. Durchschnittlich zwei durchschnittliche Ladungs-Masse-Verhältnisse aus Abschnitt 2 und 3 und Staat mögliche Fehlerquellen im Versuch ermittelt.

Elektronen spielen die Hauptrolle in vielen Bereichen von Wissenschaft und Technik, wie sie elektrischen Ladung, damit sie weiterhin aktuelle besitzen.

Elektrische Ladung, oder Q, ist eine physikalische Eigenschaft beschreibt, ob eine Einheit der Materie hat damit negativ geladen, mehr Protonen, so dass es positiv geladen, mehr Elektronen oder eine gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen, so dass es ungeladen. Diese grundlegende Eigenschaft beschreibt elektromagnetische Wechselwirkung, wo wie Gebühren abgestoßen werden, und gegenüber Ladungen angezogen werden.

J.j. Thomson ist mit der Entdeckung des Elektrons gutgeschrieben, wo er zeigte, dass eine Kathodenstrahlröhre durch ein magnetisches Feld in einer evakuierten Röhre abgelenkt werden könnten. Dies führte zu dem Schluss, dass die Elektronen eine dauerhafte negative Ladung tragen und aktiviert seine Berechnung der Elektronen-Ladungs-Masse-Verhältnis.

Dieses Video wird das Konzept der Kraft auf eine Ladung in einem Magnetfeld und die Berechnung der Ladungs-Masse-Verhältnis von einer Elektrode mit einer Kathodenstrahlröhre Experiment ähnlich dem verwendet von j.j. Thomson einführen.

Permanent-Magnete, wie z. B. Magnete, bar haben Nord- und Südpol. Ungleiche Pole ziehen sich gegenseitig, während ähnliche Polen gegenseitig abstoßen. Permanent-Magnete erzeugen ein magnetisches Feld, oder B, wo die Richtung des Feldes immer Norden nach Süden ausgerichtet ist. Ebenso kann ein Magnetfeld durch bewegte elektrische Ladungen erzeugt, oder Strom in einem Draht.

Die Ausrichtung des Drahtes, wie eine Schleife oder Spule, das Ausmaß und die Richtung des Stromes Einfluss auf das Magnetfeld. Wie bei jedem Vektorfeld kann ein magnetisches Feld zu einem bestimmten Zeitpunkt mit Richtung und Größe angegeben werden.

Eine der wichtigsten Eigenschaften eines magnetischen Feldes ist, dass es kann Kraft auf einer bewegten Ladung, die Größe der Kraft auf ein Teilchen wird durch die Lorentz-Kraft Gesetz beschrieben; wo Kraft entspricht dem Ausmaß der die Ladezeiten das Kreuzprodukt der seine Geschwindigkeit und das magnetische Feld.

Das Ausmaß der durch das Magnetfeld erzeugte Kraft kann dann in Bezug auf den Winkel zwischen der Geschwindigkeit und Magnetfeld, Theta geschrieben werden. Wegen dieser Winkel ist die Kraft höchsten, wenn die Geschwindigkeit und das Magnetfeld senkrecht zueinander stehen. Es gibt keine Kraft, wenn die Geschwindigkeit und das Feld parallel zueinander sind.

Die Richtung der Kraft steht senkrecht auf der Ebene definiert durch die Geschwindigkeit und Magnetfeld. Die Richtung dieser Kraft kann ganz einfach mit der rechten Hand Regel bestimmt werden. Die Rechte-Hand-Regel wird von den Fingern der rechten Hand in die Richtung der Geschwindigkeit zeigt, und kehren sie in die Richtung des magnetischen Feldes genutzt.

Wenn der Daumen steckt, weist es in die Richtung der Kraft durch das Magnetfeld auf der bewegten Ladung, wenn die Ladung positiv ist. Wenn die Ladung negativ ist, ist die Kraft die entgegengesetzte Richtung.

Da die Kraft senkrecht zur Geschwindigkeit ist, kann es nur die Richtung der Geschwindigkeit ändern. Wenn die Geschwindigkeit und das Magnetfeld senkrecht zu einander sind, folgt die geladenen Teilchen eine Kreisbahn mit konstanter Geschwindigkeit.

Newtons zweite Gesetz kann verwendet werden zur Berechnung der Ladungs-Masse-Verhältnis eines Elektrons, wo ist die Beschleunigung die zentripetale Beschleunigung. In Kombination mit dem Gesetz der Energieerhaltung und der Lorentz-Kraft Gesetz kann eine Gleichung, die im Zusammenhang mit der Ladungs-Masse-Verhältnis und das Potenzial und Magnetfeld erzeugt werden.

Die Ladungs-Masse-Verhältnis kann daraufhin mit einem Kathodenstrahl-Setup berechnet werden. Drei Stücke von Informationen; die Beschleunigungsspannung, die Stärke des Magnetfeldes und der Radius der Kreisbahn, gefolgt von geladenen Teilchen werden für die Berechnung benötigt.

Nun, sehen wir uns dieses Konzept und Berechnung mit einer Kathodenstrahlröhre. In diesem Experiment Elektronen beschleunigt in ein Rohr, und werden dann von einem angelegten Magnetfeldes abgelenkt. Die Ladungs-Masse-Verhältnis eines Elektrons wird dann berechnet und im Vergleich zu den bekannten Wert.

Erstens mit der experimentellen Apparat vertraut. Beachten Sie, dass es zwei unabhängige Schaltkreise im Gerät gibt, von denen das, die erste das Magnetfeld erzeugt.

Suchen Sie die Spulen, die das Magnetfeld und das digitale Amperemeter, ermöglicht die Messung von Strom zu erzeugen. Suchen Sie den Doppel-Pole-Double-Throw-Schalter, der wird verwendet, um die Richtung des Stromes rückgängig zu machen, und deshalb kehrt das magnetische Feld.

Liefern Sie Strom an die Spulen, die das Magnetfeld mit der Wählscheibe zu erstellen.

In der zweiten läuft Schaltung die Elektronenröhre. Suchen Sie die Hochspannungsversorgung, setzt die Beschleunigung Spannung und einem alternierenden Signal 6,3 V mit einem Filament verbunden. Elektronen sind durch das Filament erzeugt und durch die Beschleunigungsspannung beschleunigt.

Schalten Sie in der zweiten Schaltung die Hochspannungs-Stromversorgung einschalten das Filament. Beachten Sie, dass das Licht, das im Inneren des Rohres auf die glühende Wendel.

Nach und nach die Hochspannung bis etwa 2000 V aufdrehen. Der Teil des Bildschirms in der Röhre, die durch den Elektronenstrahl betroffen ist, sollte leuchten blau den Elektronenstrahl sichtbar machen.

Stellen Sie als nächstes den Strom durch die Spulen, die Schaffung einer einheitlichen Magnetfeld. Beachten Sie, dass die Strömung nach oben oder unten angepasst wird, ändert sich der Pfad des Balkens. Stellen Sie den Strom um den Strahl durch einen bestimmten Punkt XY in der Startaufstellung zu übergeben. Notieren Sie die Größe des Stromes erforderlich, um diesen Punkt zu treffen.

Umzukehren Sie den Strom um den Balken in die entgegengesetzte Richtung Kurve, und einstellen Sie den Strom, bis der Strahl durch den Punkt X, negative Y: oder das Spiegelbild der ursprünglichen Punkte verläuft. Notieren Sie die Größe des Stroms. Wiederholen Sie für vier weitere beschleunigenden Spannungen, verwenden die gleichen XY X negative Y-Punkte.

Beachten Sie, dass die Beschleunigungsspannung wird erhöht und die Elektronen schneller reisen, der Strahl weniger beugt. So muss der Spulenstrom höher, das gleiche X, Y-Punkt zu erreichen sein.

Anschließend wiederholen Sie das vollständige Experiment, während dieser Zeit Beschleunigung Spannung konstant zu halten, und Variation der X, Y und X, negative Y-Positionen. Sammeln Sie fünf Datensätze, Aufzeichnung von Punktkoordinaten und Stroms für jeden Punkt und seinem Spiegelbild.

Der Radius R, der den Strahlengang für jedes Beschleunigungsspannung kann mit dem Satz des Pythagoras berechnet werden.

Durchschnitt der zwei Ströme benötigt, drücken Sie X, Y und X, negative Y-Punkte für jeden Beschleunigungsspannung, die Wirkung von dem Erdmagnetfeld zu entfernen. Machen Sie dasselbe für die abwechslungsreiche X, Y und X, negative Y-Paare bei der gleichen Beschleunigungsspannung. Verwenden Sie dann die durchschnittliche Stromstärke berechnen die Stärke des Magnetfeldes, B. Bei diesem Setup ist das magnetische Feld gleich 0.00423 Mal den Strom.

Wenn die Beschleunigungsspannung variierend, verwenden Sie den Wert des Magnetfeldes, die konstanten Radius und die entsprechende Spannung, um die Größe der Ladung zu Masse-Verhältnis des Elektrons zu berechnen. Ebenso bei Variation der X, verwenden Y-Positionen, Sie den Wert des magnetischen Feldes, die konstante Spannung und den entsprechenden Radius das Elektron Ladungs-Masse-Verhältnis berechnen.

Dann berechnen Sie den Mittelwert für unterschiedliche Spannung beschleunigt und unterschiedlichen X & Y-Standorte-Bedingungen. Diese experimentell berechnete Verhältniswerte vergleichen gut auf die bekannten Ladungs-Masse-Verhältnis des Elektrons.

Geladene Teilchen, die sich in einer Kreisbahn aufgrund eines angelegten Magnetfeldes bewegen, haben ein breites Anwendungsspektrum in der Technologie.

Massenspektrometer identifiziert unbekannte Bestandteile einer Probe anhand ihrer Ladungs-Masse-Verhältnis. Partikel Reisen in einen anderen Radius je nach ihrer Ladungs-Masse-Verhältnis, der Beschleunigungsspannung und der angelegten Magnetfeldes. Diese Parameter ermöglichen die Trennung der verschiedenen Komponenten.

In diesem Beispiel flüchtige Gase in einem abschließbaren Reagenzglas gesammelt wurden, und dann mit Massenspektrometrie analysiert. Die Gasmoleküle wurden mit einem Elektron Auswirkungen Ionisator ionisiert. Die geladenen Teilchen wurden dann anhand ihrer Ladungs-Masse-Verhältnis getrennt.

Vor dem LCD LED und Plasma-Screen-Technologie, Kathodenstrahlröhren, wie die experimentelle richten Sie in diesem Video verwendet bildeten die Grundlage für alle TV-Bildschirme und Computer-Monitore. Die Kathodenstrahlröhren bestanden aus mehreren Elektronenkanone, um mehrere Farben und Leuchtschirm, zeigen die einzelnen Plätze zu erreichen.

Allgemeine Laborgeräte verwendet immer noch Kathodenstrahlröhre zeigt, wie grundlegende Oszilloskope. Der Unterschied ist, dass die Ablenkung der Elektronen erfolgt über elektrostatische Ablenkung, sondern als magnetische Ablenkbarkeit.

Sie sah nur Jupiters Einführung in elektrische Ladungen in einem Magnetfeld. Sie sollten jetzt verstehen, wie Elektronen durch Magnetfelder beeinflusst werden und wie man ein magnetisches Feld verwenden, um die Ladungs-Masse-Verhältnis eines Elektrons bestimmen. Danke fürs Zuschauen!

Results

Repräsentative Ergebnisse für Abschnitt 2 ist in Tabelle 1ersichtlich. Diese Werte geben eine durchschnittliche Ladungs-Masse-Verhältnis von 1.717 x 10-11 C/kg. Beachten Sie, dass die Größe des Schnittes, denn ist die Ladung des Elektrons einen negativen Wert.

Repräsentative Ergebnisse für Abschnitt 3 ist in Tabelle 1ersichtlich. Diese Werte geben eine durchschnittliche Ladungs-Masse-Verhältnis von 1,677 x 10-11 C/kg. Dies ist wiederum die Größe des Schnittes, weil die Ladung des Elektrons einen negativen Wert ist.

Mittelung der beiden Werte von der Größenordnung der Ladungs-Masse-Verhältnis und Rundung auf drei signifikanten Zahlen ergibt einen Wert von 1,70 x 10-11 C/kg.

Dieses Verhältnis ist ziemlich genau bekannt, da der Wert der Ladung des Elektrons und der Masse des Elektrons von vielen bedeutenden Persönlichkeiten bekannt ist. Mit diesen bekannten Größen, kann festgestellt werden, dass das Ausmaß der Ladungs-Masse-Verhältnis ist:

1.7588047 ± 0,0000049 C/kg

Beachten Sie, dass der experimentell ermittelte Wert etwa 4 % niedriger ist. In der Tat sind alle zehn Werte niedriger als der akzeptierte Wert, der ein für einen systematischen Fehler Indiz. Die wahrscheinlichste Ursache für einen systematischen Fehler wäre in einem Meter, vor allem in das Messgerät, das den Wert der hohen Spannung gibt. Wenn dieser Zähler, die stets etwas niedriger als der tatsächliche Wert waren Lesungen, könnte es die Werte etwas niedriger Ladungs-Masse-Verhältnis von selbst erklären.

Die Anwesenheit des Erdmagnetfeldes ist keine Fehlerquelle, da das Experiment für die Wirkung von Erdfeld korrigiert, indem der Durchschnitt der zwei Stromwerten. Eine der Annahmen bei der Ableitung der Gleichung war jedoch, dass das Magnetfeld erzeugt durch die Spulen gleichmäßig ist. Das Feld ist einheitlich in einem unendlich langen Magnetventil, aber ist nicht perfekt einheitlich in der Region innerhalb der zwei endlichen Spulen in dieses Experiment verwendet, so dass eine mögliche Fehlerquelle sein könnte.

X = 7 cm Y = 1 cm R = 25 cm

Beschleunigungsspannung (V) Größe des Stromes zu durchqueren (X, Y) Größe des Stromes zu durchqueren (X, Y) Durchschnittliche aktuelle (A) Magnetfeld (T) e/m-Verhältnis (C/kg) X 1011
1.800 0.1537 0.1205 0.1371 0.0005799 1.713
2.000 0.1615 0.1242 0.14285 0.0006043 1.753
2.500 0.1800 0.1426 0.1613 0.0006823 1.718
3.000 0.1993 0.1571 0.1782 0.0007538 1.690
3.500 0.2136 0.1694 0.1915 0.0008100 1,707

Tabelle 1: Eine ausgefüllte Tabelle der Datenerhebung für eine bestimmte (X, Y) und (X, −Y) Kombination.

Beschleunigung der Spannung = 2.700 V

X (cm) Y (cm) R (cm) Größe des Stromes zu durchqueren (X, Y) Größe des Stromes zu durchqueren (X-Y) Durchschnittliche aktuelle (A) Magnetfeld (T) e/m-Verhältnis (C/kg) X 1011
7 1 25 0,1875 0.1500 0.16875 0.0007138 1.696
8 2 17 0.2702 0.2270 0.2486 0.001052 1.690
7 2 13.25 0.3378 0.2953 0.31655 0.001339 1.716
9 2 21.25 0.2166 0.1826 0,1996 0.0008443 1.678
10 1 50,5 0.1006 0.0710 0.0858 0.0003629 1.608

Tabelle 2: Eine ausgefüllte Tabelle der Datenerhebung für eine bestimmte Beschleunigungsspannung.

Applications and Summary

Dieses Experiment, uraufgeführt von j.j. Thomson imspäten 19 Jahrhundert, zeigte die Existenz des Elektrons, so dass es eine enorm wichtige Experiment aus historischer Perspektive. Elektronen wurden seitdem in zahlreichen elektronischen Geräten genutzt.

Das folgende ist eine Liste einiger Anwendungen geladener Teilchen, die in Kreis- oder spiralförmig Pfade unterwegs sind, und damit sie unterwegs sind, in einem magnetischen Feld:

1) die Bildung der Nordlichter (Aurora Borealis) und Südlichter (Aurora Australis) von geladenen Teilchen, die spiralförmig um den magnetischen Feldlinien der Erde und ihre Energie in den Polarregionen zu hinterlegen.

(2) A Kathode – Ray Rohr, die früher die Grundlage für alle Fernseher, bevor die neueren Technologien der LCD, LED und Plasma-Bildschirme.

(3) A Massenspektrometer. Einige Massenspektrometer trennen Ionen anhand ihrer Masse durch Biegen ihre Flugbahnen in Kreisbahnen über ein magnetisches Feld. Der Radius des Pfades, gefolgt von einem bestimmten Ion ist proportional zu seiner Masse.

4) der Large Hadron Collider (LHC), des berühmten 27 km Umfang Instruments begraben Untergrund entlang der Grenze zu Frankreich und der Schweiz, wo kürzlich Experimente zu beweisen die Existenz des Higgs-Bosons, die ist verantwortlich für warum Teilchen eine Masse haben Physiker durchgeführt.

1. das Erdmagnetfeld zu kompensieren

  1. Beachten Sie, dass in diesem Experiment gibt es zwei unabhängige Stromkreise:
    1. Stromversorgung an den Spulen, die das magnetische Feld ( Abbildung 2) zu erstellen. Der Strom wird durch ein Drehknopf eingestellt, und die Schaltung enthält eine digitale Amperemeter, mit dem den Strom gemessen werden kann. Ein zweipolig Doppel-Throw-Schalter dient zum Umkehren der Richtung des Stromes an den Spulen geliefert, das magnetische Feld umkehrt.
    2. Die zweite Schaltung ( Abbildung 3) läuft die Elektronenröhre. Gibt es eine Hochspannungsversorgung, setzt die Beschleunigungsspannung und einem alternierenden Signal 6,3 V mit einem Filament verbunden. Elektronen sind in gewissem Sinn, gekocht aus dem Filament und dann durch die Beschleunigungsspannung beschleunigt.
  2. Schalten Sie in der zweiten Schaltung die Hochspannungs-Stromversorgung einschalten das Filament. Das Licht, das im Inneren der Röhre schaltet ist die glühende Wendel.
  3. Nach und nach die Hochspannung auf ca. 2.000 V aufdrehen. Teil des Bildschirms in der Röhre, die durch den Elektronenstrahl betroffen ist, sollte leuchten blau, den Elektronenstrahl sichtbar zu machen.
    1. Beachten Sie, dass dies nicht bedeutet, dass Elektronen sind blau - die Beschichtung auf dem Bildschirm ist phosphoreszierende und ein blaues Licht abgibt, wenn die Atome dieser Beschichtung von den Elektronen angezogen werden.
  4. Stellen Sie den Strom durch die Spulen, die das einheitliche Magnetfeld zu erzeugen. Da der Strom nach oben oder unten angepasst ist, ändert den Pfad des Balkens. Stellen Sie den Strom um den Strahl über einen bestimmten (X, Y) in der Startaufstellung zu übergeben. Notieren Sie die Größe des Stromes erforderlich, um den Strahl diesen Punkt durchlaufen haben.
  5. Den Strom auf den Balken in die entgegengesetzte Richtung Kurve umzukehren, und passen Sie den aktuellen, bis der Strahl durch den Punkt (X, −Y) verläuft (das Spiegelbild der ursprünglichen Punkte). Wieder, notieren Sie sich die Größe des Stromes erforderlich, um den Strahl diesen speziellen Punkt durchlaufen haben.
  6. Überprüfen Sie, ob die Größen der beiden Strömungen unterscheiden. Es sei denn, das Rohr passiert ausgerichtet werden, so ist der Elektronenstrahl parallel zum Erdmagnetfeld, hinzugefügt das Feld der Spulen Feld der Erde, wenn der Strom in einer Richtung und subtrahiert, wenn der Strom in die andere Richtung ist.
  7. Während das Experiment durchschnittliche die Größen der beiden Ströme, der Strom benötigt, um den Strahl zu haben durchlaufen einen bestimmten (X, Y) Punkt in der Startaufstellung, und der Strom erforderlich, durch die spiegelbildliche Punkt (X, −Y), um die Wirkung des magnetischen Feldes der Erde zu entfernen.

Figure 2

Abbildung 2 : Schaltplan für die Helmholtzspulen. Die Stärke des Magnetfeldes erstellt von der Helmholtzspulen ist proportional zum Strom durch sie. An den Spulen vom einstellbaren Netzteil gelieferte Strom wird durch das digitale Amperemeter gemessen. Die Doppelschaltung soll leicht umkehren der Richtung der Strom durch die Spulen, die Richtung des magnetischen Feldes umkehrt. Beachten Sie, dass die zwei Anschlüsse an jeder Spule gekennzeichnet sind A und Z und die beiden Z sollten miteinander verbunden werden, um sicherzustellen, dass die Spulen Magnetfelder in die gleiche Richtung und nicht in entgegengesetzte Richtungen produzieren.

Figure 3

Abbildung 3 : Schaltplan für die Ausführung der Elektronenröhre. Die glühende Wendel, die die Quelle der Elektronen ist wird von einem 6,3 V Wechselstrom Quelle geführt. Beachten Sie, dass die negative Seite des Hochspannungs-Signals auch auf der einen Seite des Fadens, verbunden ist, während das positive Hochspannung-Signal (in der Größenordnung von 2.000-3.000 V DC) mit einer Elektrode auf der rechten Seite der Beschleunigungszone verbunden ist. Dies führt zu ein großen elektrischen Feld links in die Beschleunigungszone beschleunigt die Elektronen von links nach rechts gerichtet.

2. Datenerhebung für eine bestimmte (X, Y) und (X, Y −) Kombination

  1. Beachten Sie, dass die Röhren teuer und etwas zerbrechlich sind. Nicht mehr als 3.500 V für die Beschleunigungsspannung, und dreht die Beschleunigungsspannung auf Null, wenn Messungen nicht getroffen werden.
  2. In diesem Teil des Experiments, nehmen fünf Datensätze, jeweils mit einer anderen beschleunigende Spannung mit der gleichen (X, Y) und (X, −Y) Kombination.
  3. Beachten Sie, dass die Beschleunigungsspannung erhöht und die Elektronen schneller fahren, biegen sie nicht so viel und das magnetische Feld von den Spulen muss daher erhöht werden, um den Strahl der gleichen Stelle auf dem Bildschirm durchlaufen haben. Wählen Sie eine bestimmte (X, Y) und (X, −Y) Punkt, der für diesen Teil des Experiments verwendet. Verwenden Sie Gleichung 10 , um den entsprechenden Radius der Strahlengang zu berechnen.
  4. Zeichnen Sie für eine bestimmte Beschleunigungsspannung das Ausmaß des Stromes notwendig, um den Strahl durch den gewählten (X, Y) Punkt verläuft. Umzukehren Sie die aktuelle, und notieren Sie die Größe des Stroms benötigt, um den Strahl der Spiegelbild Punkt (X, −Y) durchlaufen haben.
  5. Durchschnitt der beiden Strömungen um den Einfluss des Erdmagnetfeldes zu entfernen.
  6. Verwenden Sie die durchschnittliche Stromstärke in Gleichung 8 um die Stärke des magnetischen Feldes zu berechnen.
  7. Verwenden Sie die Werte von beschleunigende Spannung, Radius und Magnetfeld, um das Ausmaß der Ladungs-Masse-Verhältnis des Elektrons zu berechnen.
  8. Wählen Sie eine neue Beschleunigungsspannung, und wiederholen Sie die Schritte 2,3 bis 2,7. Weiter, dies zu tun, bis fünf Sätze von Daten gesammelt worden sind.
  9. Das Ausmaß der durchschnittlichen Ladungs-Masse-Verhältnis für das Elektron zu berechnen.

3. Datenerhebung für eine bestimmte Spannung zu beschleunigen

  1. Sammeln Sie fünf weitere Datensätze. Dieses Mal die beschleunigende Spannung konstant halten und ändern (X, Y) und (X, −Y) Punkte, die der Strahl durchläuft. Notieren Sie die Daten.
  2. Das Ausmaß der durchschnittlichen Ladungs-Masse-Verhältnis für das Elektron zu berechnen.
  3. Durchschnittlich zwei durchschnittliche Ladungs-Masse-Verhältnisse aus Abschnitt 2 und 3 und Staat mögliche Fehlerquellen im Versuch ermittelt.

Elektronen spielen die Hauptrolle in vielen Bereichen von Wissenschaft und Technik, wie sie elektrischen Ladung, damit sie weiterhin aktuelle besitzen.

Elektrische Ladung, oder Q, ist eine physikalische Eigenschaft beschreibt, ob eine Einheit der Materie hat damit negativ geladen, mehr Protonen, so dass es positiv geladen, mehr Elektronen oder eine gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen, so dass es ungeladen. Diese grundlegende Eigenschaft beschreibt elektromagnetische Wechselwirkung, wo wie Gebühren abgestoßen werden, und gegenüber Ladungen angezogen werden.

J.j. Thomson ist mit der Entdeckung des Elektrons gutgeschrieben, wo er zeigte, dass eine Kathodenstrahlröhre durch ein magnetisches Feld in einer evakuierten Röhre abgelenkt werden könnten. Dies führte zu dem Schluss, dass die Elektronen eine dauerhafte negative Ladung tragen und aktiviert seine Berechnung der Elektronen-Ladungs-Masse-Verhältnis.

Dieses Video wird das Konzept der Kraft auf eine Ladung in einem Magnetfeld und die Berechnung der Ladungs-Masse-Verhältnis von einer Elektrode mit einer Kathodenstrahlröhre Experiment ähnlich dem verwendet von j.j. Thomson einführen.

Permanent-Magnete, wie z. B. Magnete, bar haben Nord- und Südpol. Ungleiche Pole ziehen sich gegenseitig, während ähnliche Polen gegenseitig abstoßen. Permanent-Magnete erzeugen ein magnetisches Feld, oder B, wo die Richtung des Feldes immer Norden nach Süden ausgerichtet ist. Ebenso kann ein Magnetfeld durch bewegte elektrische Ladungen erzeugt, oder Strom in einem Draht.

Die Ausrichtung des Drahtes, wie eine Schleife oder Spule, das Ausmaß und die Richtung des Stromes Einfluss auf das Magnetfeld. Wie bei jedem Vektorfeld kann ein magnetisches Feld zu einem bestimmten Zeitpunkt mit Richtung und Größe angegeben werden.

Eine der wichtigsten Eigenschaften eines magnetischen Feldes ist, dass es kann Kraft auf einer bewegten Ladung, die Größe der Kraft auf ein Teilchen wird durch die Lorentz-Kraft Gesetz beschrieben; wo Kraft entspricht dem Ausmaß der die Ladezeiten das Kreuzprodukt der seine Geschwindigkeit und das magnetische Feld.

Das Ausmaß der durch das Magnetfeld erzeugte Kraft kann dann in Bezug auf den Winkel zwischen der Geschwindigkeit und Magnetfeld, Theta geschrieben werden. Wegen dieser Winkel ist die Kraft höchsten, wenn die Geschwindigkeit und das Magnetfeld senkrecht zueinander stehen. Es gibt keine Kraft, wenn die Geschwindigkeit und das Feld parallel zueinander sind.

Die Richtung der Kraft steht senkrecht auf der Ebene definiert durch die Geschwindigkeit und Magnetfeld. Die Richtung dieser Kraft kann ganz einfach mit der rechten Hand Regel bestimmt werden. Die Rechte-Hand-Regel wird von den Fingern der rechten Hand in die Richtung der Geschwindigkeit zeigt, und kehren sie in die Richtung des magnetischen Feldes genutzt.

Wenn der Daumen steckt, weist es in die Richtung der Kraft durch das Magnetfeld auf der bewegten Ladung, wenn die Ladung positiv ist. Wenn die Ladung negativ ist, ist die Kraft die entgegengesetzte Richtung.

Da die Kraft senkrecht zur Geschwindigkeit ist, kann es nur die Richtung der Geschwindigkeit ändern. Wenn die Geschwindigkeit und das Magnetfeld senkrecht zu einander sind, folgt die geladenen Teilchen eine Kreisbahn mit konstanter Geschwindigkeit.

Newtons zweite Gesetz kann verwendet werden zur Berechnung der Ladungs-Masse-Verhältnis eines Elektrons, wo ist die Beschleunigung die zentripetale Beschleunigung. In Kombination mit dem Gesetz der Energieerhaltung und der Lorentz-Kraft Gesetz kann eine Gleichung, die im Zusammenhang mit der Ladungs-Masse-Verhältnis und das Potenzial und Magnetfeld erzeugt werden.

Die Ladungs-Masse-Verhältnis kann daraufhin mit einem Kathodenstrahl-Setup berechnet werden. Drei Stücke von Informationen; die Beschleunigungsspannung, die Stärke des Magnetfeldes und der Radius der Kreisbahn, gefolgt von geladenen Teilchen werden für die Berechnung benötigt.

Nun, sehen wir uns dieses Konzept und Berechnung mit einer Kathodenstrahlröhre. In diesem Experiment Elektronen beschleunigt in ein Rohr, und werden dann von einem angelegten Magnetfeldes abgelenkt. Die Ladungs-Masse-Verhältnis eines Elektrons wird dann berechnet und im Vergleich zu den bekannten Wert.

Erstens mit der experimentellen Apparat vertraut. Beachten Sie, dass es zwei unabhängige Schaltkreise im Gerät gibt, von denen das, die erste das Magnetfeld erzeugt.

Suchen Sie die Spulen, die das Magnetfeld und das digitale Amperemeter, ermöglicht die Messung von Strom zu erzeugen. Suchen Sie den Doppel-Pole-Double-Throw-Schalter, der wird verwendet, um die Richtung des Stromes rückgängig zu machen, und deshalb kehrt das magnetische Feld.

Liefern Sie Strom an die Spulen, die das Magnetfeld mit der Wählscheibe zu erstellen.

In der zweiten läuft Schaltung die Elektronenröhre. Suchen Sie die Hochspannungsversorgung, setzt die Beschleunigung Spannung und einem alternierenden Signal 6,3 V mit einem Filament verbunden. Elektronen sind durch das Filament erzeugt und durch die Beschleunigungsspannung beschleunigt.

Schalten Sie in der zweiten Schaltung die Hochspannungs-Stromversorgung einschalten das Filament. Beachten Sie, dass das Licht, das im Inneren des Rohres auf die glühende Wendel.

Nach und nach die Hochspannung bis etwa 2000 V aufdrehen. Der Teil des Bildschirms in der Röhre, die durch den Elektronenstrahl betroffen ist, sollte leuchten blau den Elektronenstrahl sichtbar machen.

Stellen Sie als nächstes den Strom durch die Spulen, die Schaffung einer einheitlichen Magnetfeld. Beachten Sie, dass die Strömung nach oben oder unten angepasst wird, ändert sich der Pfad des Balkens. Stellen Sie den Strom um den Strahl durch einen bestimmten Punkt XY in der Startaufstellung zu übergeben. Notieren Sie die Größe des Stromes erforderlich, um diesen Punkt zu treffen.

Umzukehren Sie den Strom um den Balken in die entgegengesetzte Richtung Kurve, und einstellen Sie den Strom, bis der Strahl durch den Punkt X, negative Y: oder das Spiegelbild der ursprünglichen Punkte verläuft. Notieren Sie die Größe des Stroms. Wiederholen Sie für vier weitere beschleunigenden Spannungen, verwenden die gleichen XY X negative Y-Punkte.

Beachten Sie, dass die Beschleunigungsspannung wird erhöht und die Elektronen schneller reisen, der Strahl weniger beugt. So muss der Spulenstrom höher, das gleiche X, Y-Punkt zu erreichen sein.

Anschließend wiederholen Sie das vollständige Experiment, während dieser Zeit Beschleunigung Spannung konstant zu halten, und Variation der X, Y und X, negative Y-Positionen. Sammeln Sie fünf Datensätze, Aufzeichnung von Punktkoordinaten und Stroms für jeden Punkt und seinem Spiegelbild.

Der Radius R, der den Strahlengang für jedes Beschleunigungsspannung kann mit dem Satz des Pythagoras berechnet werden.

Durchschnitt der zwei Ströme benötigt, drücken Sie X, Y und X, negative Y-Punkte für jeden Beschleunigungsspannung, die Wirkung von dem Erdmagnetfeld zu entfernen. Machen Sie dasselbe für die abwechslungsreiche X, Y und X, negative Y-Paare bei der gleichen Beschleunigungsspannung. Verwenden Sie dann die durchschnittliche Stromstärke berechnen die Stärke des Magnetfeldes, B. Bei diesem Setup ist das magnetische Feld gleich 0.00423 Mal den Strom.

Wenn die Beschleunigungsspannung variierend, verwenden Sie den Wert des Magnetfeldes, die konstanten Radius und die entsprechende Spannung, um die Größe der Ladung zu Masse-Verhältnis des Elektrons zu berechnen. Ebenso bei Variation der X, verwenden Y-Positionen, Sie den Wert des magnetischen Feldes, die konstante Spannung und den entsprechenden Radius das Elektron Ladungs-Masse-Verhältnis berechnen.

Dann berechnen Sie den Mittelwert für unterschiedliche Spannung beschleunigt und unterschiedlichen X & Y-Standorte-Bedingungen. Diese experimentell berechnete Verhältniswerte vergleichen gut auf die bekannten Ladungs-Masse-Verhältnis des Elektrons.

Geladene Teilchen, die sich in einer Kreisbahn aufgrund eines angelegten Magnetfeldes bewegen, haben ein breites Anwendungsspektrum in der Technologie.

Massenspektrometer identifiziert unbekannte Bestandteile einer Probe anhand ihrer Ladungs-Masse-Verhältnis. Partikel Reisen in einen anderen Radius je nach ihrer Ladungs-Masse-Verhältnis, der Beschleunigungsspannung und der angelegten Magnetfeldes. Diese Parameter ermöglichen die Trennung der verschiedenen Komponenten.

In diesem Beispiel flüchtige Gase in einem abschließbaren Reagenzglas gesammelt wurden, und dann mit Massenspektrometrie analysiert. Die Gasmoleküle wurden mit einem Elektron Auswirkungen Ionisator ionisiert. Die geladenen Teilchen wurden dann anhand ihrer Ladungs-Masse-Verhältnis getrennt.

Vor dem LCD LED und Plasma-Screen-Technologie, Kathodenstrahlröhren, wie die experimentelle richten Sie in diesem Video verwendet bildeten die Grundlage für alle TV-Bildschirme und Computer-Monitore. Die Kathodenstrahlröhren bestanden aus mehreren Elektronenkanone, um mehrere Farben und Leuchtschirm, zeigen die einzelnen Plätze zu erreichen.

Allgemeine Laborgeräte verwendet immer noch Kathodenstrahlröhre zeigt, wie grundlegende Oszilloskope. Der Unterschied ist, dass die Ablenkung der Elektronen erfolgt über elektrostatische Ablenkung, sondern als magnetische Ablenkbarkeit.

Sie sah nur Jupiters Einführung in elektrische Ladungen in einem Magnetfeld. Sie sollten jetzt verstehen, wie Elektronen durch Magnetfelder beeinflusst werden und wie man ein magnetisches Feld verwenden, um die Ladungs-Masse-Verhältnis eines Elektrons bestimmen. Danke fürs Zuschauen!

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