Thí nghiệm vật lý bke - 100 xác định điện tích riêng e/mcủa electron theo phương pháp manhêtrôn (magnetron)

1 U1 G - + U3 U2 D A1 A A2 V Hình 1 VLKT - Viện Vật lý Kỹ thuật- ĐHBK Hà nội thí nghiệm vật lý BKE- 100 Xác định điện tích riêng e/m của electron theo ph−ơng pháp manhêtrôn (magnetron). dụng cụ : Bộ thí nghiệm vật lý MC - 95.11, gồm có : 1. Nguồn điện một chiều U1 = 0-6V/5A, để cấp điện cho cuộn dây Sôlênôid. 2. Nguồn điện một chiều U2 = 0-6V 0.3A, để cấp điện cho sợi đốt đèn Magnetron. 3. Nguồn điện một chiều U3 = 0-12V / 0.1A, để cấp điện cho l−ới đèn Magnetron 4. Ampe kế A1 có hai thang đo 0-2.5 và 0-5 A. 5. Ampe kế A2 có hai thang đo 0-1 mA và 0-5 mA dùng đo dòng anot. 6. Vôn kế V thang đo 0-10V. 7. Đèn manhêtrôn (magnetron). 8. ống dây dẫn dùng tạo ra từ tr−ờng. 9. Bộ dây dẫn dùng nối mạch điện (9 dây) . I. Cơ sở lý thuyết Theo thuyết l−ợng tử, nguyên tử gồm các electron chuyển động quanh hạt nhân. Một electron có khối l−ợng m chuyển động quanh hạt nhân, sẽ có mômen động l−ợng → L . Mặt khác electron mang điện tích âm -e chuyển động quanh hạt nhân tạo thành dòng điện có mômen từ → à ng−ợc chiều và tỷ lệ với → L : → à = - → L m e 2 Đại l−ợng γ= m e 2 gọi là tỷ số từ- cơ của electron , là một hằng số quan trọng trong vật lý nguyên tử, còn tỷ số e/m đ−ợc gọi là điện tích riêng của electron, đơn vị đo là C/kg. Có thể xác định điện tích riêng của electron nhờ bộ thiết bị thí nghiệm bố trí theo sơ đồ hình1, gồm : một đèn manhêtrôn M đặt ở bên trong ống dây dẫn D , và các nguồn điện cung cấp cho đèn và cuộn dây hoạt động. Đèn manhêtrôn M là một bóng thuỷ tinh bên trong có độ chân không cao (10-7 ữ 10-8 mmHg) và có ba điện cực : catôt K , l−ới G và anôt A. Cả ba điện cực này đều có dạng ống trụ, có đ−ờng kính khác nhau, đặt đồng trục với nhau. Trong cùng là Catốt có bán kính chừng 1mm. Bên trong Catốt có sợi đốt, để đ−a dòng điện lấy từ nguồn U2 đốt nóng catốt làm cho ca tốt phát xạ ra electron. L−ới G gồm các vòng dây dẫn nối với nhau thành một ống trụ th−a bao quanh catốt. Ngoài cùng là anốt A , là một trụ kim loại kín , có khoảng cách đến l−ới bằng d. Nguồn điện U 3 đặt giữa G và K tạo ra một điện tr−ờng làm tăng tốc các electron nhiệt phát ra từ catôt K. Do l−ới th−a, nên các electron này chuyển động lọt qua l−ới G đến gặp và bám vào anôt A, tạo ra dòng anôt I 2 , đo bằng miliampekế A2 . Động năng của electron khi bay tới l−ới G bằng công của lực điện tr−ờng giữa catôt K và l−ới G : mv2 2 = e U⋅ (1) với U là hiệu điện thế giữa catôt K và l−ới G đo bằng vônkế V, còn e và m là độ lớn của điện tích và khối l−ợng của electron,v là vận tốc của electron khi bay tới l−ới G. Vì anôt A đ−ợc nối với l−ới G bằng một dây dẫn có điện trở rất nhỏ, nên hiệu điện thế giữa chúng coi nh− bằng không. Electron xem nh− chuyển động thẳng đều giữa l−ới G và anốt, với vận tốc không đổi v 2 để tạo ra dòng điện c−ờng độ I 2 chạy qua miliampekế A2 . Từ (1), ta suy ra : v = m eU2 (2) Nối ống dây sôlênôit D với nguồn điện U1. Dòng điện chạy qua ống dây có c−ờng độ I1 sẽ tạo ra trong ống một từ tr−ờng có cảm ứng từ B ρ h−ớng dọc theo trục của đèn manhêtrôn M và vuông góc với vận tốc v ρ của electron. Từ tr−ờng B ρ tác dụng lên electron một lực - gọi là lực Loren L F ρ , có giá trị bằng : Bv.eF L ρρ ∧= Vì B ρ h−ớng vuông góc với v ρ , nên lực L F ρ có độ lớn bằng : B.v.eF L = (3) Lực Loren L F ρ , h−ớng vuông góc với vận tốc v ρ , đóng vai trò lực h−ớng tâm có tác dụng làm cho electron khi bay qua l−ới G phải chuyển động theo quỹ đạo tròn bán kính R xác định bởi điêu kiện : F e v B mv R L = =. . 2 (4) Cảm ứng từ B ρ trong lòng của ống dây tỷ lệ với c−ờng độ dòng điện I1 chạy qua ống và đ−ợc tính bằng công thức : 0 1. . .B n Iα à= ( 5) với à 0 = 4pi .10-7 H/m là hằng số từ ,n là số vòng dây trên một đơn vị dài của ống dây, α là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào cấu tạo của ống dây dẫn D . Theo (4) và (5) , cảm ứng từ B trong lòng ống dây D tỷ lệ thuận với c−ờng độ dòng điện I1 chạy qua ống, còn bán kính R của quĩ đạo tròn của electron tỷ lệ nghịch với cảm ứng từ B. Vì vậy, ta có thể tăng dần c−ờng độ dòng điện I1 để tăng dần cảm ứng từ B, sao cho bán kính R của quĩ đạo tròn của electron giảm dần, đến khi I1 = I thì đạt giá trị R = d/2, ( d : là khoảng cách giữa anôt A và l−ới G (Hình 2) ). Lúc đó, các electron không tới đ−ợc anôt A, c−ờng độ dòng anôt I2 chạy qua miliampekế A2 sẽ giảm đến giá trị I2 =0 Thay (2) và (5) vào (4) , ta tìm đ−ợc : e m = 2 8 1 2 2 2 0 2 2 1 2 2 U B R U n I d = α à (6) Trong thí nghiệm này : - ống dây có mật độ vòng dây n= 6000 v/m, hệ số α = 0.5. - Đèn Manhêtron có d = 2,75mm , Điện áp gia tốc giữa l−ới và catốt đ−ợc thiết lập U= 6V, đo bởi Von kế V. Bằng cách xác định c−ờng độ dòng điện từ hoá cuộn dây I1 = I khi dòng anôt I2 triệt tiêu, ta tính đ−ợc điện tích riêng e/m của electron theo công thức (6). Cách xác định I nh− sau : Theo trên, khi cảm ứng từ B ứng với c−ờng độ dòng điện I thì các electron không tới đ−ợc anôt A và dòng anôt I 2 0= . Nh− vậy, ta chỉ cần theo dõi quá trình giảm dần của dòng điện I 2 trên miliampekế A2 khi tăng dần dòng điện I1 trên ampekế A1, cho tới khi Ia = 0 . Nh−ng vì các electron nhiệt phát ra từ catôt K có vận tốc khác nhau, nên một số ít electron có vận tốc lớn vẫn có thể bay tới anôt A ngay cả khi I1 = I : dòng điện I 2 không hoàn toàn triệt tiêu . Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của dòng điện I 2 vào dòng điện I có dạng một đ−ờng cong nh− hình 3, đoạn dốc nhất ab của nó ứng với tr−ờng hợp đa số electron không tới đ−ợc anôt A : Tiếp tuyến của đ−ờng cong này trên đoạn ab sẽ cắt trục hoành tại điểm có c−ờng độ dòng điện I1 = I . B=B1 B< B1 B>B1 B=0 A G a b I I1 I2 Hình 3 3 III. Trình tự thí nghiệm. 1. Chuẩn bị bộ thí nghiệm MC - 95.11 a) Ch−a cắm phích lấy điện của bộ MC-95.11 vào nguồn ~ 220V . Quan sát mặt máy trên hình 4. b) Dùng các dây dẫn nối mạch điện trên mặt máy MC-95.11 theo sơ đồ hình 1 : - Nối sợi nung FF vào nguồn một chiều U2 ( 0-6V/ 0,5A) - Nối miliampekế A2 giữa cực l−ới G và anôt A của đèn manhêtrôn M , nối vônkế V giữa l−ới G và catôt K của đèn manhêtrôn M với nguồn một chiều U3 ( 0 -12V /100mA ) - Mắc nối tiếp ống dây dẫn D và ampekế A1 với nguồn một chiều U1 ( 0-6V / 5A ) - Gạt các núm chuyển mạch để đặt đúng : vônkế V ở thang đo 10V, ampekế A1 ở thang đo 2.5A , miliampekế A2 ở thang đo 1mA . - Vặn núm xoay của các nguồn điện một chiều U1 , U2 , U3 về vị trí 0. - Đặt các côngtắc K1 , K2 , K3 ở trạng thái ngắt mạch . Chú ý Tr−ớc khi cắm phích lấy điện của bộ thí nghiệm MC-95.11 vào nguồn điện ~ 220V, cần phải mời thày giáo tới kiểm tra mạch điện vừa mắc trên mặt máy và h−ớng dẫn cách sử dụng để tránh làm hỏng máy ! 2. Khảo sát sự phụ thuộc của dòng điện anôt I2 vào dòng điện I chạy qua ống dây sêlênôit a) Bấm các côngtắc K , K1 , K2 : các đèn LED phát sáng, báo hiệu các nguồn U1 , U2 , U3 đã sẵn sàng hoạt động. b) Vặn núm xoay của nguồn U3 để thiết lập hiệu thế gia tốc electron giữa l−ới G và katôt K (đo bằng vônkế V) đạt giá trị U = 6V, và giữ không đổi giá trị này trong suốt quá trình đo. c) Vặn núm xoay của nguồn U2 đến vị trí giữa 2-3 trên vạch số, để cung cấp điện áp đốt tóc nung nóng catốt đèn manhêtrôn. Sau 3ữ5 phút, dòng anốt I2 xuất hiện, chỉ trên miliampekế A2 . Khi khi U2 có giá trị không đổi và bằng 6V, dòng anốt I2 chỉ phụ thuộc nhiệt độ catốt. Khéo điều chỉnh núm xoay nguồn đốt tóc U2 thật tinh tế, sao cho I2 đạt giá trị khoảng 0.8 -1mA, khi đèn Manhêtrôn đạt trạng thái cân bằng nhiệt. Đọc và ghi giá trị của I 2 vào bảng 1 . c) Vặn từ từ núm xoay của nguồn U1 để tăng dần c−ờng độ dòng điện I (đo bằng ampekế A1) chạy qua ống dây tạo từ tr−ờng D . Ghi các giá trị t−ơng ứng của các c−ờng độ dòng điện I và I 2 vào bảng 1 cho tới khi c−ờng độ dòng điện I =2.5A, thì kết thúc phép đo, vặn ngay các núm xoay của nguồn U1 , U2 , U3 theo đúng thứ tự này về vị trí 0. Sau đó, bấm các khoá K1 , K2 , K để tắt máy . d) Ghi các số liệu sau đây vào bảng 1 : - Cấp chính xác δ V và giá trị cực đại Um trên thang đo của vônkê V . - Cấp chính xác δ 1A và giá trị cực đại I1m trên thang đo của ampekế A1 . - Cấp chính xác δ 2A và giá trị cực đại I2m trên thang đo của miliampekế A2 . - Hệ số α , số vòng dây trên đơn vị dài n của ống dây dẫn D. - Khoảng cách d giữa anôt A và l−ới G của đèn manhêtrôn M . IV. Câu hỏi kiểm tra 1. Nêu định nghĩa và đơn vị đo điện tích riêng của electron . 2. Trình bày ph−ơng pháp xác định điện tích riêng của electron bằng ph−ơng pháp manhêtrôn : a) Vẽ sơ đồ mạch điện và mô tả cấu tạo của đèn manhêtrôn b) Giải thích rõ chuyển động của electron nhiệt phát ra từ catôt đ−ợc nung nóng trong đèn manhêtrôn do tác dụng của điện tr−ờng và từ tr−ờng trong mạch điện. 3. Trong sơ đồ mạch điện thí nghiệm trên hình 1, tại sao phải mắc cực âm (−) của miliampekế A2 vào anôt A và cực d−ơng (+) của nó vào l−ới G của đèn manhetron ? 4. Tại sao phải giữ giá trị của hiệu điện thế của nguồn điện U2 và U3 không thay đổi trong suốt thời gian tiến hành thí nghiệm ? U2 A1 D A2 V U3 U1 Hình 4 : bộ thí nghiệm MC - 95.11 4 5. Nói rõ cách xác định giá trị c−ờng độ dòng điện I1 trong ống dây sêlênôit ứng với c−ờng độ dòng anôt triệt tiêu ( )I 2 0= theo ph−ơng pháp nội suy bằng đồ thị trên hình 3. Giải thích tại sao ? 5 Báo cáo thí nghiệm Xác định điện tích riêng của electron bằng ph−ơng pháp manhêtrôn ( magnetron) Xác nhận của thày giáo Tr−ờng ........................................ Lớp ...................Tổ ..................... Họ tên ......................................... I. mục đích thí nghiệm ..................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... II. Kết quả thí nghiệm Bảng 1 - Vônkế V : U m =....... .. ( )V ; δ v =...... - Ampekế A1 : I1m =........ ( )A ; δ 1A =..... - Ampekế A2 : I2m =........ ( )A ; δ 2 A =...... - Số vòng dây : n =........... (vòng/m) - Hệ số của ống dây D : α =................ - Khoảng cách anôt-l−ới : d =..... 10 3− ( )m Hiệu điện thế gi−ã l−ới G và katôt K : U V= 6 I A( ) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 I2( )mA I A( ) 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 I2( )mA I A( ) 2,0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 I2( )mA 1. Xác định điện tích riêng của electron meX /= a. Căn cứ vào đồ thị I f I2 = ( ) vẽ đ−ợc ở trang sau, xác định giá trị c−ờng độ dòng điện I1 : I1 = ............... ± ................. (A) b. Tính sai số t−ơng đối của điện tích riêng meX /= : δ α à = = + ⋅ + + + +       = ∆ ∆ ∆α ∆à ∆ ∆ ∆X X U U n n I I d d 2 0 0 1 1 ...................................... = ................................................................................ = ...................... 6 Vẽ đồ thị I f I2 = ( ) c. Tính giá trị của điện tích riêng : X = e m = 8 2 0 2 2 1 2 2 U n I dα à = ................................................................. = X = ..................................(C/kg) d. Tính sai số tuyệt đối : ∆X X= ⋅ =δ ................................. .....= ................ (C/kg) e. Viết kết quả đo điện tích riêng : X ± ∆X = .................. ± .................. (C/kg) 2. So sánh giá trị đo X e m = với giá trị lý thuyết X e m lt lt =       Cho biết X lt = ⋅ ⋅ ≈ ⋅ − − 1 60 10 9 10 10 17 6 10 19 31 10, , , /C kg , tính độ lệch tỉ đối theo công thức : 7 δ * = − =X X X lt lt .......................................................... = .....................