$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Elektronlar, elektrik yüküne sahip oldukları ve akım taşımalarını sağladıkları için bilim ve teknolojinin birçok alanında öncü rol oynamaktadır.
Elektrik yükü veya q, bir madde biriminin daha fazla protona sahip olup olmadığını, onu pozitif yüklü hale getiren, daha fazla elektrona sahip olup olmadığını, negatif yüklü yapıp yapmadığını veya eşit sayıda proton ve elektrona sahip olup olmadığını ve yüksüz yapıp yapmadığını açıklayan fiziksel bir özelliktir. Bu temel özellik, benzer yüklerin itildiği ve zıt yüklerin çekildiği elektromanyetik etkileşimleri tanımlar.
J.J. Thomson, bir katot ışınının boşaltılmış bir tüpteki manyetik alan tarafından saptırılabileceğini gösterdiği elektronun keşfi ile tanınır. Bu, elektronların kalıcı bir negatif yük taşıdığı sonucuna yol açtı ve elektronların yük-kütle oranının hesaplanmasını sağladı.
Bu video, bir manyetik alandaki bir yüke uygulanan kuvvet kavramını ve J.J. Thomson tarafından kullanılana benzer bir katot ışın tüpü deneyi kullanılarak bir elektrotun yük-kütle oranının hesaplanmasını tanıtacaktır.
Katot ışın tüpü deneyini öğrenmeden önce, bu deneyin temelini oluşturan manyetik alanın elektrik yükü üzerindeki etkilerinden bahsedelim. Bir manyetik alana hareketli bir yük girdiğinde, alan yüke bir F kuvveti uygular.
Buna Lorentz kuvveti denir. Bu kuvvetin büyüklüğü şu formülle verilir: qVB sinüs teta, burada q yükün büyüklüğü, V hız, B manyetik alanın büyüklüğü ve teta hız ile manyetik alan arasındaki açıdır.
Bu nedenle, V ve B arasındaki açı 90 derece olduğunda Lorentz kuvveti maksimumdur ve bu gibi durumlarda, pozitif bir yüke uygulanan kuvvetin yönü sağ el başparmak kuralı ile verilir ve tüm vektörler birbirine dik olur. Yük negatifse, kuvvet ters yönde hareket eder. Şimdi tüm manyetik alan çizgilerinin düzleme girdiğini hayal edelim.
Bunlar geleneksel olarak dairelerin içindeki haçlarla gösterilir. Alana manyetik alana dik bir hıza sahip pozitif bir yük verilirse, bu yüke uygulanan kuvvet hıza dik bir yöne sahip olacaktır. Bu kuvvetin hızın büyüklüğü üzerinde hiçbir etkisi yoktur, ancak yönü etkiler ve ortaya çıkan hız vektörü, yükü hareket etmeye zorlayan iki dik vektör arasındadır.
Bu nedenle, yüklü parçacıklar, her üç vektör, hız, kuvvet ve manyetik alan her zaman birbirine dik olacak şekilde sabit bir hızda dairesel bir yol izler. Bu diyagrama bakıldığında, kuvvet vektörünün merkezcil kuvveti temsil ettiği açıktır.
Newton'un ikinci yasasına göre, bu kuvvet, v karesinin eğrilik yarıçapı olan r'ye bölümü olan yük çarpı merkezcil ivmenin kütlesidir. Bu kuvvetin Lorentz kuvvet formülü tarafından da verildiğini hatırlayın. Bu iki denklemi, katot ışın tüpü deneyine uygulanabilir enerjinin korunumu yasası ile birleştirerek, bir elektronun yük-kütle oranı için denklemi türetebiliriz.
Hesaplama için üç bilgi parçasının, elektronların hızlandırıldığı potansiyel farkın, manyetik alanın gücünün ve yüklü parçacıkların izlediği dairesel yolun yarıçapının gerekli olduğunu unutmayın.
Şimdi bu katot ışın tüpü deneyini bir fizik laboratuvarında nasıl kuracağımızı ve yürüteceğimizi kuralım ve gösterelim.
İlk olarak, deney aparatına aşina olun. Manyetik alanı oluşturan bobinleri ve akımın ölçülmesini sağlayan dijital ampermetreyi bulun. Akımın yönünü tersine çevirmek için kullanılan ve bu nedenle manyetik alanı tersine çeviren çift kutuplu çift atış anahtarını bulun.
Döner kadranı kullanarak manyetik alanı oluşturan bobinlere akım sağlayın. Ardından, hızlanma voltajını ve bir filamana bağlı 6,3 V'luk alternatif bir sinyali ayarlayan yüksek voltaj kaynağını bulun. Elektronlar filament tarafından üretilir ve hızlanan voltaj ile hızlandırılır.
Şimdi, filamenti açmak için yüksek voltajlı güç kaynağını açın. Tüpün içinde yanan ışığın parlayan filament olduğuna dikkat edin.
Yüksek voltajı kademeli olarak yaklaşık 2000 V'a yükseltin. Elektron ışını tarafından vurulan tüpün içindeki ekranın bir kısmı mavi renkte yanmalı ve elektron ışınını görünür hale getirmelidir.
Ardından, düzgün bir manyetik alan oluşturarak bobinlerden geçen akımı ayarlayın. Akım yukarı veya aşağı ayarlandıkça ışının yolunun değiştiğini gözlemleyin. Işını ızgara üzerindeki belirli bir (x, y) noktadan geçirmek için akımı ayarlayın. Bu noktaya ulaşmak için gereken akımın büyüklüğünü kaydedin.
Işını ters yönde kıvırmak için akımı tersine çevirin ve ışın noktadan (x, negatif y): veya orijinal noktanın ayna görüntüsünden geçene kadar akımı ayarlayın. Akımın büyüklüğünü kaydedin. Aynı (x, y) ve (x, negatif y) noktalarını kullanarak dört hızlanma voltajı daha için tekrarlayın.
Hızlanma voltajı arttıkça ve elektronlar daha hızlı hareket ettikçe ışının daha az büküldüğünü gözlemleyin. Bu nedenle, aynı (x, y) noktasına ulaşmak için bobin akımının daha yüksek olması gerekir.
Ardından, bu sefer hızlanma voltajını sabit tutarken ve (x,y) ve (x, negatif y) konumlarını değiştirirken tam deneyi tekrarlayın. Her nokta için nokta koordinatlarını ve mevcut büyüklüğünü ve ayna görüntüsünü kaydederek beş veri seti toplayın.
Her hızlanan voltaj için ışın yolunun yarıçapı, r, Pisagor teoremi kullanılarak hesaplanabilir.
Dünya'nın manyetik alanının etkisini ortadan kaldırmak için her hızlanan voltaj için hem (x,y) hem de (x, negatif y) noktalarına çarpmak için gereken iki akımın ortalamasını alın. Aynı hızlanma voltajındaki çeşitli (x, y) ve (x, negatif y) çiftler için de aynısını yapın. Ardından, manyetik alanın gücünü hesaplamak için ortalama akımı kullanın, B. Bu kurulum durumunda, manyetik alan akımın 0.00423 katına eşittir.
Hızlanma voltajını değiştirirken, bir elektronun yükünün kütle oranına büyüklüğünü hesaplamak için manyetik alanın değerini, sabit yarıçapı ve karşılık gelen voltajı kullanın. Benzer şekilde, (x, y) konumlarını değiştirirken, elektronun yük-kütle oranını hesaplamak için manyetik alanın değerini, sabit voltajı ve karşılık gelen yarıçapı kullanın.
Ardından, hem değişen hızlanma voltajı hem de değişen (x ve y) konum koşulları için ortalamayı hesaplayın. Deneysel olarak hesaplanan bu oran değerleri, bir elektronun bilinen yük-kütle oranıyla iyi bir şekilde karşılaştırılır.
Uygulanan bir manyetik alan nedeniyle dairesel bir yolda hareket eden yüklü parçacıklar, teknolojide geniş bir uygulama alanına sahiptir.
Kütle spektrometreleri, yük-kütle oranlarına göre bir numunenin bilinmeyen bileşenlerini tanımlar. Parçacıklar, yük-kütle oranlarına, hızlanma voltajına ve uygulanan manyetik alana bağlı olarak farklı bir yarıçapta hareket eder. Bu parametreler çeşitli bileşenlerin ayrılmasını sağlar.
LCD, LED ve plazma ekran teknolojisinden önce, bu videoda kullanılan deney düzeneği gibi katot ışın tüpleri, tüm TV ekranları ve bilgisayar monitörleri için temel oluşturuyordu.
Yaygın laboratuvar ekipmanı hala temel osiloskoplar gibi katot ışın tüpü ekranlarını kullanıyor. Aradaki fark, elektronların sapmasının manyetik sapma yerine elektrostatik sapma yoluyla yapılmasıdır.
Az önce JoVE'nin manyetik alandaki elektrik yükleriyle tanışmasını izlediniz. Artık elektronların manyetik alanlardan nasıl etkilendiğini ve bir elektronun yük-kütle oranını belirlemek için bir manyetik alanın nasıl kullanılacağını anlamalısınız. İzlediğiniz için teşekkürler!
