電子受靜電力及磁力作用的偏折 電荷與質量比實驗儀實驗

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1 電子受靜電力及磁力作用的偏折 電荷與質量比實驗儀實驗
電子受靜電力及磁力作用的偏折 電荷與質量比實驗儀實驗 目的: 觀察陰極射線管(cathode ray tube, CRT)中之電子束在電場(E)及磁場(B)中之偏折運動情形，並測量電子的荷質比(e/m比) 原理: Lorentz force F = q(E + v x B) [SI unit: N = C·(V/m) = C·(m/s).T] 陰極射線管CRT的內部結構 控制柵極G 聚焦陽極F 加速陽極A (總電位V1) 水平偏壓(偏折)平行電極板 垂直偏壓(偏折)平行電極板 Z方向無偏折之電子束 螢光幕 陰極射線管(CRT)內的加熱燈絲 陰極射線管(CRT)內的陰極C 陰極射線管CRT的內部結構

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3 實驗步驟： I. 陰極射線管電源 1. 陰極射線管(D = 95 mm, L = 10 cm, d = 3.5 mm)
插入CRT基座(Unilab ) X為X電板輸入端 Y為Y電板輸入端 A1為最後加速陽極 Z接柵極 2. CRT基座接CTR電源供應( ) 之五腳CRT插座(tube supply) 注意：高壓電源! 接電路前, 確定電源供應器 開關為關(off)(燈暗) 3. 調整CRT亮點之 亮度(brill)(加速陽極) 及焦距(focus)(聚焦陽極) 偏極板參數 X板 Y板 L=1cm 1cm 3.5mm 12.8cm D=9.5cm 10cm

4 II、電場偏折 1. 放大器(amplifier)(2)(032.842)接CRT電源供應器(1)
( )之aux unit直流電源(6 V) 2. 產生交流電場: 電源供應器(1)之交流電壓(6 Vrms)接到放大器之 交流耦合A (alternating coupling)輸入端 +共用端C (common) AC: 只有ac信號進入(串聯電容器) DC: 直流耦合D (direct coupling): ac/dc信號均可進入 3. 放大器之X/Y輸出端接CRT基座(3) ( )之垂直Y電板輸入 4. 利用放大器之增益(gain)及 移動 (shift) 鈕，觀察及調整Y方向 之亮線位置及長度/電壓振幅值 l = 2Vm (校正後) Y靈敏度(sensitivity): 23 V/ cm Q :如何量週期T? (1) (3) (2)

5 III.交流電壓波形及頻率 1. 時基產生器(2)產生掃描鋸齒波 (掃描週期可調) 2. 時基產生器(2)同步掃描鋸齒波
(掃描週期可調)輸出接水平 放大器(3)輸入DC端(下頁) 3. 水平放大器(3)之輸出端接 CRT基座之水平電板輸入(5) (水平輸入為時間t)(校正後)

6 3. (5)垂直Y電板輸入不變 但垂直放大器(4)輸入接DC端 (垂直輸入為電壓V) 4. 放大器輸入A端同步接 時基產生器(2)( ) (time base generator) 同步輸入端(sync) 5. 觀查CRT之波形Y(X) = V(t), 量振幅(Vm)及週期(T)

7 IV. 磁場偏折 產生磁場：直流電源供應器(5) 接到共軸雙線圈螺線管(2) ( )，線圈數為N = 3000圈 圈。 利用可變電阻(4)及安培計(3) 調整及測量電流(I)大小，因磁場B  NI，所以可求算B值。 3.共軸雙線圈螺線管放於CRT 基座(1)之CRT上。 4.利用不同方式測量電子的e/m比值。 (1) (2) (5) (3) (4)

8 m0:磁導率=1.26*10-6T-m/A; n: 線圈單位長度的圈數; I:電流(A)
磁場測量 m0:磁導率=1.26*10-6T-m/A; n: 線圈單位長度的圈數; I:電流(A)

9 電子在電場/磁場中之偏折求e/m值 1. 使B=0，偏折板加電壓V， E=V/d 得E，則 偏距離SE 為
2. 使E=0，偏折板加一磁場B，方向與電子初速度互相垂直, 偏移距離Sm 為 由1, 2可得電子的荷值比

10 湯姆遜法測e/m值 1. 在X偏折板加電場及Y偏折板加磁場的作 用下，使電子不偏折 SE + SB = 0 記錄電壓V及電流I
2. 關掉線圈電源(B=0)，記錄偏折距離SE v = E/B E=V/d 代入 SE 及v 電子的荷值比

11 由加速電壓求得e/m值 1. 利用亮點沒偏折SE + SB = 0, 紀錄電壓及磁場 因 得電子的荷值比 vz = E/B ; V1是加速電壓，由量測”emf” 接線端得到

12 電子的電荷與質量比實驗儀 使用簡單的元件荷姆茲線圈，製造大範圍的磁場 使電子從陰極射線管( CRT)射出後，作圓周運動
R是兩線圈距離14cm，V是加速電壓， 是磁性係數，N是線圈的砸數是140，i是實驗測得通過線圈之電流，r是電子束迴轉半徑 可直接觀察到電子受電場和磁場作用所產生的偏折軌跡

13 湯姆生實驗與電子的電荷與質量比實驗儀的比較
湯姆生實驗CRT剛問市的實驗，方法老舊，要先知CRT的偏折x板，偏折y板長度，及偏折板間距，及偏折板至螢幕長度，參數眾多，方法繁覆，誤差大 湯姆生實驗(課本16-1頁)，所作出的螺線圈產生之小範圍磁場，電子產生小偏折，然後直射至CRT銀幕，用偏折後取直射螢幕得Sm及Se 之銀幕偏移距離，其誤差會較大 因其參數多，如L〈偏折板長度〉，D 〈偏折板至螢幕長度〉，d 〈偏折板間距〉， B〈螺管線圈〉，E〈電場〉，誤差會較大 小螺管線圈所產生的磁場是使用螺管線圈之磁場公式，其誤差應大於荷姆茲線圈之磁場數據。 小螺管線圈位置沒放至X板位置，誤差會較大

14 電子的電荷與質量比實驗儀實驗值 加速電壓130V，磁場電流1.2Amp，迴轉半徑0.03m， 計算得 e/m=2.48x1011
相對於湯姆生實驗荷質比實驗值具一個數量級以上誤差，電荷與質量比實驗儀表現相對優異。