background image

1.  Wstęp 

 

Celem ćwiczenia było wyznaczenie stosunku ładunku elektronu do masy elektronu (e/m). 

Dokonano tego za pomocą następujących metod: 
 

  Metodą magnetronu 
  Metodą odchylania wiązki elektronowej w przypadku gdy pole magnetyczne jest 

prostopadłe do osi lampy oscyloskopowej 
 

2.  Układ pomiarowy 

 
Dla wyznaczania stosunku e/m przy pomocy magnetronu układ pomiarowy wyglądał 
następująco:  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Układ ten składał się z zasilaczy prądu stałego (Z,Z

1

,Z

2

)  Zgodnie z informacjami 

zawartymi przy stanowisku laboratoryjnym: 
 

  Zasilacz Z to zasilacz układu żarzenia katody magnetronu – jest to zasilacz o 

stałym napięciu 5Vdc ( zasilacz typu ściennego wtykany bezpośrednio do 
listwy 220V. Wyjście jest podłączone bezpośrednio do zacisków „żarzenie” w 
magnetronie ) 

  Zasilacz Z

2

 to zasilacz układu solenoidu wytwarzającego pole magnetyczne – 

zasilacz DF1730SL10A.Do tego zasilacza podłączony jest szeregowo 
amperomierz LM3 

  Zasilacz Z

3

 to zasilacz układu anodowego magnetronu o stałym napięciu 

15Vdc. Do układu włączono również równolegle woltomierz LM1 o zakresie 
pomiarowym 15V oraz szeregowo miliamperomierz LM1 o zakresie 30mA 

 

 

background image

Dla wyznaczania stosunku e/m  metodą ogniskowania wiązki elektronowej dla prostopadłego 
pola magnetycznego układ można przedstawić za pomocą następującego schematu: 

 

Na układ pomiarowy przy stanowisku laboratoryjnym składały się: 

  zasilacz 
  cewki wytwarzające pole magnetyczne o stałym napięciu 15Vdc (Z)  
  miliamperomierz  LM3 o zakresie dostosowanym do płynącego prądu. 

 

3.  Przebieg ćwiczenia 

Ćwiczenie przebiegało w  następujący sposób: 

Dla magnetronu: 

1.  Podłączenie układu pomiarowego według schematu na stanowisku laboratoryjnym 
2.  Spisanie danych dotyczących  używanych przyrządów pomiarowych ( zakresów, 

danych technicznych) 

3.  Włączenie przyrządów począwszy od zasilacza ( poczekać na ustabilizowanie prądu  

anodowego) 

4.  Wykonanie serii pomiarów natężenia prądu anodowego w funkcji natężenia prądu w 

cewce przy stałym napięciu anodowym. 

 
Dla metody ogniskowania wiązki w poprzecznym polu magnetycznym: 

1.  Podłączenie układu pomiarowego według schematu na stanowisku laboratoryjnym 
2.  Włączenie zasilacza lampy oscyloskopowej  
3.  Uzyskanie ostrej plamki w centralnym miejscu 
4.  Włączenie zasilacza cewki i zwiększenie prądu płynącego przez cewkę w celu 

przesunięcia plamki kolejno o 1,2, … kratki w pionie. Wykonanie pomiarów dla obu 
zwrotów pola magnetycznego. 

background image

4.   Opracowanie wyników 

 

Dla metody magnetronu: 
 

Wyniki serii pomiarów zamieszczone są w protokole zatwierdzonym przez 

prowadzącego. 

Stosunek e/m wyznaczono poprzez określenie wartości prądu krytycznego ( I

kr

). 

Wartością jest punkt przegięcia wykresu zależności prądu anody od prądu cewki ( Wykres 
dołączony do sprawozdania). Aby dokładniej odczytać punkt przegięcia wykreślono wykres 
pierwszej pochodnej funkcji.(Wykres w załączniku)  
Odczytując z wykresu I

kr

= 2,5 [A] 

Korzystając ze wzoru: 

 

2

2

2

2

2

2

2

0

1

8





b

a

b

I

N

U

m

e

kr

 

 

Dane układu: 

  a = 0,9[mm]= 9*10-4 [m] - promień katody 
  b = 1,8[mm]= 1,8*10-3 [m]- promień anody 
  N = 3200 [m-1]- gęstość uzwojenia głównego 
  U = 6 [V] - napięcie na anodzie 
  µ

0

=4π∙10

-7 

[Vs/Am] 

  Ikr=2,5 [A] – wartość odczytana z wykresu 

 

Podstawiając do wzoru: 
 

 

 

              

  

 [

 

  

 (Obliczenia w protokole)

  

Przyjmując za ładunek elektronu e=1,602176487∙10

-19

 można obliczyć masę elektronu 

 

m=1,602176487∙10

-19

/2,60864∙10

11

=6,1418090∙10

31

[kg] 

 

Pokazuje to, że pomiar magnetronem  obciążony jest dużym  błędem. Wynikać to może z 
niedokładnego odczytania prądu krytycznego 
 
 
 
 
 
 

background image

 
Dla metody ogniskowania wiązki elektronowej dla prostopadłego pola magnetycznego 
otrzymano następujące pomiary  
 

Dla prądu płynącego zgodnie z 

kierunkiem nawinięcia cewki 

LP. 

I[mA] 

x[mm] 

11 

12 

18 

18 

23,5 

24 

 

Dla prądu płynącego przeciwnie z 

kierunkiem nawinięcia cewki 

LP. 

I[mA] 

x[mm] 

12 

12 

18 

18 

23 

24 

 
Informacje odczytane z tabliczki przy przyrządzie:  
 

  Ilość zwojów w każdej cewce: N=260 
  Napięcie przyspieszające elektrony: U=1400(50) [V] 
  Odległość (średnia) pomiędzy cewkami: L=98(2) [mm] 
  Uśredniona średnica cewki: D= 105(2) [mm] 
  µ

0

 = 

         

  

  *

 

 

  Długość działania obszaru pola magnetycznego: d=135(5) [mm] 

 

Przyjmując za zmienną niezależną wartość 

)

(

2

2

x

d

x

t

  

przekształcono wzór 

)

(

2

2

2

x

d

B

v

x

m

e

 

gdzie

 

2

3

2

2

2

0

)

(

L

D

D

I

N

B

  na zależność linową (przekształcenie dostępne w 

protokole, zatwierdzone przez prowadzącego)  
 

background image

x [m] 

0,006 

0,32987 

0,012 

0,66368 

0,018 

1,00553 

0,024 

1,35985 

Tabela zależności x od parametru t 

 

Za pomocą arkusza kalkulacyjnego Excel policzono wartości potrzebne do utworzenia 

wykresów.  Wydruk arkusza dostępny jest w załączniku. 

Dane potrzebne do utworzenia wykresu w programie Origin (wykresy dołączone do 

sprawozdania): 
 

Dla prądu płynącego zgodnie z kierunkiem nawinięcia cewki: 

 
 

 
 
 
 
 
 
Dla prądu płynącego przeciwnie z kierunkiem nawinięcia cewki: 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
Współczynnik kierunkowy prostej na wykresie wyznaczonym przez program Origin 
odpowiada szukanemu przez nas stosunkowi e/m. Wyniki prezentują się następująco: 
 

Dla prądu płynącego zgodnie z kierunkiem nawinięcia cewki: 

 

 

 

= 2,53019∙10

11 

*

 

  

+

 

 

Dla prądu płynącego przeciwnie z kierunkiem nawinięcia cewki: 

 

 

 

 = 

2,75152 ∙10

11  

*

 

  

2

2

8

Z

U

t

 

I

2

 

8333232,27 

0,000036 

33732321,57 

0,000121 

77431746,87 

0,000324 

141615538,86 

0,00055225 

2

2

8

Z

U

t

 

I

2

 

8333232,27 

0,000049 

33732321,57 

0,000144 

77431746,87 

0,000324 

141615538,86 

0,000529 

background image

5.  Obliczanie niepewności 

 

  Dla woltomierza (parametry podane w protokole) 

 

    

              

   

                         

  

 

 

      

              

 

  
  

      

 

Z prawa propagacji: 

       √

    

 

 

 

   

 

 

 

 

                   

 

  Dla amperomierza mierzącego prąd cewki 

 

    

              

   

 

         

   

         

 

  

 

 

      

              

 

   

  

      

 

       √

    

 

 

 

   

 

 

 

 

                    

 

  Niepewność pomiaru dla magnetronu 

 

Na niepewność tego pomiaru składać się będzie niepewność woltomierza oraz niepewność 
amperomierza. Niepewność tą wyliczamy ze wzoru: 
 

  (

 

 

)   √(

  

 

  

  

)

 

    

 

  (

  

 

  

  

)

 

    

 

 

(

  

 

  

  

)

 

 

 

 

 

 

   

 

   

  

 

   

 

  (   

 

 

 

 

)

 

              

  

 

(

  

 

  

  

)

 

 

   

 

 

 

   

 

   

  

 

   

 

  (   

 

 

 

 

)

 

                 

  

 

  (

 

 

)   √             

  

 

 

   

           

 

 

                  

  

 

 

   

            

 

 

                  

  

  

 

  

  

background image

 
Niepewność rozszerzona wyniesie: (dla k=2) 
 

  (

 

 

)            

  

  

 

  

  

 

Wynik końcowy pomiaru: 

 

 

                

  

 

 

  

  

6.  Wnioski 

 

Porównując przeprowadzone pomiary różnymi metodami, można uznać że metoda 

ogniskowania wiązki elektronowej dla prostopadłego pola magnetycznego dla prądu 
płynącego zgodnie z kierunkiem nawinięcia cewki jest najbliżej wartości z tablic.  

W przypadku magnetronu uzyskany wynik nie jest dokładny co może wynikać z tego że 

seria pomiarów była przeprowadzona tylko dla jednego napięcia.  

Być może w przypadku wykonania pomiarów dla różnych napięć, znaleźlibyśmy takie, 

dla którego stosunek e/m obliczany metodą magnetronu będzie najdokładniejszy.