Mục đích thí nghiệm

Bài 9 XÁC ĐỊNH ĐIỆN TÍCH RIÊNG CỦA ELECTRON BẰNG

1. Mục đích thí nghiệm

Mục đích của bài thí nghiệm này là trang bị cho sinh viên những kiến thức và kỹ năng thực nghiệm để xác định điện tích riêng của electron bằng phương pháp Manhetron.

1.2. Yêu cầu

i. Nắm được cơ sở lý thuyết của phép đo;

ii. Nắm được cấu tạo và nguyên lý làm việc của thiết bị thí nghiệm dùng để xác định điện tích riêng của electron bằng phương pháp Manhetron;

iii. Biết cách tiến hành thí nghiệm nhằm xác định điện tích riêng của electron bằng phương pháp Manhetron;

iv. Viết được báo cáo thí nghiệm, tính được sai số theo yêu cầu.

2. Cơ sở lý thuyết

Điện tích riêng của electron là đại lượng đo bằng tỷ số giữa độ lớn của điện tích e và khối lượng m của electron. Ta có thể xác định đại lượng này nhờ thiết bị thí nghiệm bố trí theo sơ đồ mạch điện (hình 3.31).

Bộ thiết bị này gồm một đèn Manhetron M đặt trong một ống dây sôlênôit D. Đèn Manhetron M là một bóng thuỷ tinh, bên trong có độ chân không cao

K

G

U

3

U

2

U1

A1

Ống dây D M

V A2

A

Hình 3.31. Sơ đồ mạch điện xác định điện tích riêng

97

(10-7 - 10-8 mmHg) và có ba điện cực: catốt K và anốt A là hai ống trụ kim loại, còn lưới G là một lưới kim loại hình trụ ngăn giữa anốt và catốt. Các điện cực này được đặt cùng trục với đèn Manhêtrôn M, nhưng catôt K nằm gần lưới G hơn và có đường kính khá nhỏ so với anốt A. Catốt K được nung nóng bằng một sợi dây kim loại nối với nguồn điện U2.

Nguồn điện U3 gây ra một điện trường có tác dụng làm tăng tốc các electrôn nhiệt phát ra từ catốt K. Các electrôn này chuyển động qua lưới G đến anốt A tạo thành dòng điện anốt I2 được đo bởi miliAmpe kế A2. Động năng của electrôn khi bay tới lưới G có giá trị đúng bằng công của lực điện trường giữa catốt K và lưới G:

3 2

2 eU

mv  (3.73)

Trong đó U3 là hiệu điện thế giữa catốt K và lưới G đo bằng vôn kế V, còn e và m là điện tích và khối lượng của electrôn, v là vận tốc của electrôn khi bay tới lưới G.

Vì anôt A được nối với lưới G bằng một sợi dây dẫn có điện trở rất nhỏ, nên hiệu điện thế giữa chúng coi như bằng 0. Do đó electrôn sẽ chuyển động thẳng đều từ lưới G về anốt A với vận tốc v không đổi để tạo ra dòng điện cường độ I2 chạy qua micrôAmpe kế A2. Từ công thức (1), ta suy ra trị số của vận tốc v:

m v 2eU3

 (3.74)

Nếu nối ống dây sôlênôit D với nguồn điện U1, dòng điện chạy qua cuộn dây này có cường độ I sẽ tạo ra trong lòng ống dây sôlênôit D một từ trường có cảm ứng từ B

hướng dọc theo trục của đèn Manhêtrôn M và vuông góc với vận tốc v

của electrôn. Từ trường B

tác dụng lên electrôn một lực Loren FL

tính theo công thức: FL ev B





Vì B

hướng vuông góc với v, nên lực FL

có trị số bằng:

evB

FL  (3.75)

Lực Loren FL

luôn luôn hướng vuông góc với vận tốc v, đóng vai trò lực hướng tâm làm cho electron bay qua lưới G phải chuyển động theo một quỹ đạo

98

tròn bán kính R. Khi đó bán kính quĩ đạo chuyển động của electrôn được xác định theo điều kiện:

R evB mv FL

 2

 (3.76)

Cảm ứng từ B

trong lòng ống dây sôlênôit D có dòng điện có cường độ I chạy qua tính bằng công thức:

B = 0 ..n.I (3.77) Với 0 = 4.10-7 H/m là hằng số từ, n là số vòng dây trên một đơn vị dài của ống dây,  là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào cấu tạo của ống dây sôlênôit D.

Theo (3.76) và (3.77), cảm ứng từ B trong lòng ống dây sôlênôit D tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện I chạy qua ống dây đó, còn bán kính R của quỹ đạo tròn của electron tỷ lệ nghịch với cảm ứng từ B. Vì vậy, ta có thể tăng dần cường độ dòng điện I đến một giá trị I  I0 để tăng dần cảm ứng từ B đến giá trị B  B1 sao cho bán kính R của quỹ đạo tròn của eletrron giảm dần đến R

2

 d

với d là khoảng cách giữa A và lưới G (hình 3.32). Trong trường hợp này các electron không đến được anôt nên cường độ dòng điện anôt I2 chạy qua miliAmpe kế A2 sẽ giảm đến giá trị I2 = 0. Khi đó thay (3.74) và (3.77) vào (3.76), ta tìm được biểu thức:

2 0 2 1 2 2 0 2 2 0 2 1

2 2

R I n

U R

B U m

e



 

 (3.78)

Trong thí nghiệm này, ta xác định điện tích riêng e/m của electron theo công thức (3.78) bằng cách dùng vôn kế V để đo hiệu điện thế U giữa catôt K và

I1

O

b a

I2 (mA)

I(A) Hình 3.33. Đồ thị I2 = f(I) B = B1

B > B1

G A

B < B1

B = 0

Hình 3.32. Cảm ứng từ trong ống dây sôlênôit

99

lưới G, dùng Ampe kế A1 để xác định cường độ dòng điện I1 chạy qua ống dây D khi dòng điện anôt I2 triệt tiêu, còn các giá trị , n, R0

2

 d được cho trước.

Cách xác định cường độ dòng điện I1: theo lý luận nêu trên, khi cảm ứng từ B = B1 ứng với cường độ dòng điện I = I1 thì các electron không tới được anôt và dòng điện anôt I2 = 0. Như vậy, ta chỉ cần theo dõi quá trình giảm dần của cường độ dòng I2 trên miliAmpe kế A2 khi cường độ dòng điện trên Ampe kế A1

tăng dần cho tới khi I2 = 0 thì I = I1. Nhưng 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 ngay cả khi I = I1: dòng điện I2 không hoàn toàn triệt tiêu (I2  0).

Đồ thị I2 = f(I) biểu diễn sự phụ thuộc của dòng I2 vào dòng điện I có dạng một đường cong như hình 3.33, đoạn dốc nhất (ab) của nó ứng với trường hợp đa số các electron không tới được anôt A. Khi đó tiếp tuyến của đường cong này tại đoạn (ab) sẽ cắt trục hoành tại điểm có cường độ dòng điện bằng I1.

3. Trình tự thí nghiệm 3.1. Dụng cụ (hình 3.34)

1. Bộ thí nghiệm vật lý MC - 95.11;

2. Đèn Manhêtrôn (Magneton);

3. Ống dây sôlênôit (solenoid) dùng tạo ra từ trường;

4. Các dây dẫn dùng nối mạch điện (9 dây).

Hình 3.34. Bộ thí nghiệm xác định điện tích riêng của electron

100 3.2. Trình tự thí nghiệm

3.2.1. Bộ thí nghiệm MC - 95.11

a. Chưa cắm phích lấy điện MC - 95.11 vào nguồn điện ~ 220 V.

b. Quan sát cách bố trí dụng cụ trên mặt máy của bộ MC - 95.11 (hình 3.35).

Hình 3.35. Bộ thí nghiệm MC – 95.11 3.2.2. Kiểm tra mạch điện trên mặt máy MC-95.11

a. Nối sợi nung FF vào nguồn điện một chiều U2 (0 – 6 V – 5 A).

b. Nối vôn kế V giữa lưới G và catôt K của đèn manhêtrôn M với nguồn một chiều U3 = U (0 – 12 V - 100 mA).

c. Mắc nối tiếp ống dây sôlênôit D và Ampe kế A1 với nguồn một chiều U1 (0 – 6 V – 5 A).

d. Gạt các núm chuyển mạch để đặt đúng: Vôn kế V ở thang 10 V, Ampe kế A1

ở thang 5 A, miliAmpe kế A2 ở thang đo 1 mA.

e. Vặn núm xoay của các nguồn điện một chiều U1, U2, U3 về vị trí 0 (vặn ngược chiều kim đồng hồ về vị trí cuối cùng).

f. Đặt các công tắc K1, K2, K3 đều đặt ở trạng thái ngắt mạch.

Chú ý:

Trước khi cắm phích lấy điện của bộ MC - 95.11 vào nguồn điện  220 V mời giáo viên hướng dẫn tới kiểm tra mạch điện vừa mắc trên mặt máy và hướng dẫn cách sử dụng để tránh làm hỏng máy.

XÁC ĐỊNH ĐIỆN TÍCH RIÊNG CỦA ELECTRON BẰNG PHƯƠNG PHÁP MAGNETON

Viện Vật lý Kỹ thuật - Đại học Bách khoa Hà nội A2 1A 3A V

3V 10 V

A1

3V 5 V

K D

E F

G A

K1 0 U1

K2 0 U2

K 0

U3

101

3.2.3. Khảo sát sự phụ thuộc của dòng điện anôt I2 vào dòng điện I chạy trong ống dây sôlênôit D

Bước 1. Bấm các công tắc K1, K2: các đèn LED phát sáng báo hiệu các nguồn U1, U2, U3 sẵn sàng hoạt động. Vặn núm xoay của nguồn U2 đến vị trí khoảng 4  5 V để đốt nóng sợi dây tóc FF của đèn Manhetron.

Bước 2. Sau 4  5 phút, vặn núm xoay của nguồn U3 để tăng hiệu điện thế giữa lưới G và katốt K (đo bằng Vôn kế V) đạt giá trị không đổi U = 6 V. Khi đó, miliAmpe kế A chỉ thị cường độ dòng anốt I2. Đọc và ghi giá trị I2 vào bảng 3.13.

Bước 3. Vặn từ từ núm xoay của nguồn U1 để tăng dần cường độ dòng điện I (đo bằng Ampe kế A1) chạy qua ống dây sôlênôit D. Đọc và ghi giá trị tương ứng của các cường độ dòng điện I và I2 vào bảng 3.13 cho tới khi cường độ dòng điện anôt I2 = 0. Vặn các núm xoay của nguồn U1, U2, U3 theo đúng thứ tự về vị trí 0. Sau đó, bấm các khoá K, K2, K3 để tắt máy.

4. Câu hỏi kiểm tra

4.1. Nêu định nghĩa và đơn vị đo điện tích riêng của electron.

4.2. Trình bày phương pháp xác định điện tích riêng của electron bằng dùng đèn Manhetron. Giải thích rõ chuyển động của electron trong điện trường và từ trường.

4.3. Tại sao phải giữ giá trị hiệu điện thế của nguồn điện U2 không thay đổi trong suốt thời gian tiến hành thí nghiệm?

4.4. Giải thích rõ cách xác định giá trị I1 khi cường độ dòng anôt triệt tiêu (I2 = 0) bằng phương pháp đồ thị như trên hình 3.33.

5. Báo cáo thí nghiệm

Điểm Thời gian lấy số liệu:

Ngày ……… tháng ……… năm ………

Chữ ký của giáo viên hướng dẫn:

5.1. Mục đích thí nghiệm

...

...

102 5.2. Kết quả thí nghiệm

Bảng 3.13. Cường độ dòng điện I và I2

Vôn kế V: Um = 10 (V); v = 1,5%

Ampe kế A1:

I1m = 2,5 (A), 1A = 1,5%

Ampe kế A2:

I2m =...(A), 2A = 1,5%

Số vòng dây: n = (6000  5) vòng/m Hệ số của ống dây:

= 0,2000  0,0010 Khoảng cách anôt - lưới:

d = (7,000  0,010).10-3 m Hiệu điện thế giữa lưới G và catôt K: U = (6,00  0,10) V 0 = 4.10-7 H/m

I(A) I2(mA)

I(A) I2(mA)

5.3. Vẽ đồ thị I2 = f(I) và xác định giá trị dòng điện I1.

5.4. Tính và biểu diễn kết quả điện tích riêng của electron

m X  e

Căn cứ vào đồ thị I2 = f(I) vẽ được ở trên, xác định giá trị dòng điện I1:

103 I1 1A.I1m







 1 1

1 I I

I



 2

0 2 1 2 2 0

2. . . .

2 R I n Xđo U









 



    

 



0 0 1

1 0

2 0

R R I

I n

n U

Xđo U







 





Xđo Xđo.Xđo















đo đo

đo

đo đo

đo

X X

X

X X

X



5.5. So sánh giá trị đo Xđo với giá trị lý thuyết Xlt = e/m Cho biết 1,7.10 ( / )

1010 , 9

10 . 60 ,

1 11

31 19

kg C

Xlt  

 

 .

Tính độ lệch tỷ đối:

 



lt đo lt

X X

* X



5.6. Nhận xét và đánh giá kết quả

(Trình bày ý nghĩa vật lý của bài thí nghiệm, nhận xét và đánh giá kết quả đo được, kiến nghị)

104 BÀI 10