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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 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 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 陰極射線管的工作原理Operation Principle of CRT I. 在水平和垂直偏折平行電極板(4,5)無外加偏壓信號時: 陰極射線管內的加熱燈絲(8)將陰極C(9)加熱放出熱電子 經控制柵極G(1), 聚焦陽極F(2)及加速陽極A(3)(總電位V1)後 電子往Z方向(6)做等速運動,mvz2/2 = eV1 ? vz = (2eV1/m)1/2 電子打到螢光幕(XY面)(7)上的中心位置,形成一亮點。 陰極射線管CRT的內部結構 電子質量 m = 9.11 x 10-31 kg 電荷 q = -e = -1.60 x 10-19 C As V4 = 0 V5 = 0 電子的電荷與質量比實驗儀 使用荷姆倫茲線圈產生的磁場 使電子從陰極射線管( CRT)射出後,在磁場中作圓周運動 可直接觀察到電子受電場和磁場作用所產生的偏折軌跡, 實驗觀察所得之電子束的迴轉半徑r ,即可利用下式計算e/m 比值 R = 兩線圈距離14 cm V = 加速電壓 ?o = 磁性係數 N = 線圈的匝數是140圈, I = 荷姆倫茲線圈線的電流 r = 實驗觀察所得之電子束的迴轉半徑 2. 電子在直流電場中之偏折: 利用水平電板X(4)及垂直電板Y(5)所提供的電壓,產生均勻電場(E),使電子束偏折,如電板Y長L, 兩板距離d, 直流電位差V2 (E = V2/d),電子離開電板後距螢光幕D,則電子在Y方向偏折SE,使螢光幕(XY面)在Y軸 SE 處產生一亮點。 X, Y等速直線運動 X:等速直線運動 Y:等加度運動 3. 電子在磁場中之偏折 利用共軸雙線圈螺線管之均勻磁場(B)來偏折電子束 如磁場在x方向 (長L),電子離開磁場後距螢光幕 D 則電子在Y方向偏折 SB (? Sm) 螢光幕(XY面)Y軸上SB有一亮點 磁場測量 中心點磁場兩倍 偏極版參數 利用記錄,使B=0,偏折板加V, E=V/d 得E,E 與 SE 壹整組代入下式; 調整可變電阻,記錄1電流強度可算出B ,B與 Sm一整組代入下式,由下式算出 電子在磁場中之偏折求e/m值 4. 同時在電場及磁場的作用下 並使電子不偏折 SE + SB = 0 亮點沒偏折,記下電壓V及電流I eE = e v B 關掉線圈電源,記錄偏折距離SE v = E/B E=V/d 代入 SE 及v 電子的荷值 (e/m) 比= 湯姆遜法測e/m值 由加速電壓求得 e/m值 e . eht =1/2 m 利用亮點沒偏折SE + SB = 0 vz = E/B 實驗步驟: I. 陰極射線管電源 1. 陰極射線管(X = 60 mm, Y =54 mm, D = 95 mm, L = 10 mm, d = 3.5 mm) 插入CRT基座(Unilab 031.502) 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(032.332) 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) II、電場偏折 1. 放大器(amplifier)(2)(032.842)接CRT電源供應器(1) (032.332)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
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