电子在电场磁场中的运动及电子比荷的测定.docVIP

电子在电场、磁场中的运动 及电子比荷的测定 电子具有一定的质量与电量。它在电场或磁场中运动时会受到电、磁场的作用，使自己的运动状态发生变化，产生聚焦或偏转现象。利用聚焦偏转现象可以研究电子自身的性质，例如可以测定电子比荷（也称为荷质比），即单位质量带有的电荷e/m。此外示波器的示波管、电视机显象管也是利用电子在电、磁场中的聚焦、偏转性质工作的。 实验目的 掌握电子在电场和磁场中的运动规律及电、磁聚焦和电、磁偏转的基本原理； 学习电子电、磁聚焦和电、磁偏转的实验方法； 测定电子比荷。 示波管结构 实验所用的8SJ31型示波管的构造如图Z5-5所示。 亮度调节：阴极K是一个表面涂有氧化物的金属圆筒，经灯丝加热后可以发射自由电子。电子在外电场作用下定向运动形成电子流。栅极G为顶端开有小孔的圆筒，其电位比阴极低，使阴极发射出来具有一定初速度的电子在电场作用下减速。初速小的电子被斥返回阴极，初速大的电子可以穿过栅极小孔射向荧光屏。这样调节栅极电压可以控制射向荧光屏的电子数量，从而控制荧光屏上光点的亮度，这就是亮度调节。 电聚焦：为了使电子以较大的速度打在荧光屏上以获得更高的亮度，在栅极之后装有加速电极。加速电极对阴极的电压一般有1kV 至2kV。加速电极是一个长形金属圆筒，筒内有一些具有同轴中心孔的金属膜片，用以阻挡偏离轴线的电子，使电子束具有较细的截面。加速电极之后是第一阳极A1和第二阳极A2。第二阳极一般与加速电极相连，而第一阳极对阴极电压一般为几百伏特。加速阳极产生的电场经过栅极小孔到达阴极表面，如图Z5-6。在该电场作用下，阴极电子会聚于栅极小孔前的F1处，该点就是第一焦点。由加速电极、第一阳极和第二阳极组成的电子聚焦系统把F1成象在荧光屏上，呈现为直径足够小的光点F2（第二焦点），如图Z5-7所示。这与凸透镜对光的会聚作用相似，成为电子透镜。改变第一阳极电压可以改变电场分布，这就是聚焦调节。当然改变第二阳极的电压也可以改变电场分布，这就是辅助聚焦调节。 磁聚焦：若将加速电极、第一阳极、第二阳极、X和Y方向偏转电极全部连在一起，相对阴极加同以高电压（如图Z5-8），这样离开第一焦点后发散的电子射线一进入加速电极就在零电场中做匀速运动。由于没有聚焦电场，电子不能在第二焦点聚焦。若沿电子前进方向加一磁感应强度为B的均匀磁场，电子离开栅极后就在此磁场中运动。电子受洛仑兹力作用 （Z5-11） 设电子速度稍微偏离轴线，该速度矢量分解出v⊥和v∥两个分量。其中水平分量v∥≈v平行于磁场方向，电子在该方向的运动不受磁场力影响。垂直于磁场方向，电子受力为F=e v⊥B，力方向垂直于v⊥的方向，是向心力。电子在此向心力作用下作匀速圆周运动，见图Z5-9。洛仑兹力与向心力相等 （Z5-12） 电子运动轨道半径为 （Z5-13） 圆周运动周期与速度无关，为 （Z5-14） 电子一方面沿轴线方向作匀速直线运动，一方面绕轴线作匀速圆周运动，合成运动轨迹是一条螺线。电子离开第一焦点后方向略有区别，但方向是近轴的，v∥≈v基本相同，经过一个周期后，各电子沿轴线运动的距离相同。也就是说离开F1的射线又将会聚在 （Z5-15） 处，h就是螺旋线的螺距。h点或h点的整数倍处也相当是焦点。调整磁场B使kh（k为正整数）等于第一焦点至荧光屏的距离l0，就是磁聚焦。 电子比荷的测量：电子的速度由加速电压Ua决定（电子离开阴极时的初速度很小，可以忽略）。即 电子偏离轴线很小，所以 聚焦时 （Z5-16） 得到电子比荷为 （Z5-17） 示波管的磁场来源于套在其外部的螺线管。对于长度为L，直径为d，单位长度的匝数为n，励磁电流强度为I的薄螺线管（严格应按多层螺线管公式计算），轴线中点的磁感应强度为 （Z5-18） 电子射线的电偏转：示波管第二阳极后面有两对偏转板。上下相对放置的是Y方向偏转板，水平相对放置的是X方向偏转板。当偏转板上加以偏转电压V（见图Z5-10）时，电子受力向正极偏转。当所加电压是交流电压，电子射线在X方向振荡，荧光屏上可见一条水平亮线。 设偏转板长度为b，板间距为d，其它相关符号标在图Z5-11上。电子在偏转板间受力产生偏转。电子加速度，穿过b的时间为,电子偏转距离为。电子到达偏转板边缘处时X方向速度分量为。出了偏转板后电子不受电场力，X方向作匀速运动。