实验十洛仑兹力演示器.doc

39 -实验十 洛仑兹力演示一、 实验目的 1、 使学生能深刻理解磁场对运动电荷的作用及规律 2、 使学生掌握另一种测量荷质比的方法 二、仪器介绍 （一）仪器及功能 J2433－1 型、J2433－2 型洛仑兹力演示器； 演示磁场对运动电子产生的洛仑兹力，在三维空间观察电子运动的径迹； 测定电子的荷质比 40 -（二）技术指标 1、 加速极电压 0～250V 连续可调J2433-1 型有参考读数，J2433-2 型电表读数误差≤±2.5% 2、 励磁电流方向：顺时、断路、逆时三档，由信号灯指示电流方向 电流幅值 ：0 ～2.5A 连续可调，J2433-1 型有参考读数，J2433-2 型电表读数误 差≤±2.5% 3、 偏转板电压 电压方向 上正、断路、下正三档 电压幅度 50 ～250V 连续可调，有参考刻度 4、 洛仑兹力管转动角度＞180°，有刻度指示 5、 电源 220V ±10% 50Hz 6、 功耗 45W 7、 连续工作时间 1 小时 8、 使用环境条件 温度 0 ～+40℃ 相对湿度 20-80%(30℃)- 41 -9、外形尺寸 350（宽）×450（高）×300（深）mm3 10、重量 11kg （三）控制器的作用 图 10－1、图 10－2 分别为 J2433－1 型和 J2433－2 型洛仑兹力演示器外形图。

按照 图上标的序号，将各部分作用说明如下： 1、洛仑兹力管 发射电子束并显示电子束径迹 2、励磁线圈 提供匀强磁场，使电子束产生偏转 3、游标 用来对准电子束圆的边缘，以测出电子束圆直径 4、标尺 测量电子束圆直径用 5、指针 指示洛仑兹力管转动的角度 6、度数尺 测量洛仑兹力管转动的角度 7、逆时信号灯 励磁线圈中电流逆时针流向指示 8、顺时信号灯 励磁线圈中电流顺时针流向指示 9、暗箱 起遮光作用，以增强观察效果 10、偏转板电压幅值旋钮 调节加到偏转板上的电压幅值，顺时针转到底电压为 250 伏，逆时针转到底时电压为 50 伏，有参考刻度 11、偏转板电压方向开关 分“上正” 、 “断路” 、 “下正”三档置“上正”时，洛 仑兹力管内上偏转板接进正电压，下偏转板接地置“下正”时，管内上、下偏 转板均无电压接入观察电子束在磁场洛仑兹力作用下的运动轨迹时，应将其置 “断路”位置 12、加速极电压调节旋钮 调节洛仑力管内加速极上电压的大小J2433－1 型有 参考刻度，J2433－2 型，有电表指示在仪器开机、关机前及暂不观察电子束径 迹时，都应将此旋钮逆时针转到底。

13、励磁电流方向开关 控制通向励磁线圈电流的方向，分“顺时” 、 “断路” 、 “逆 时”三档置 “顺时”时，线圈上顺时指向信号灯发光，励磁线圈中电流为顺 时针方向，产生的磁场方向朝机内置“逆时”时，线圈上逆时针指向信号灯发 光，励磁线圈中电流为逆时针方向，产生的磁场方向朝外置“断路”时，线圈 上信号灯全部熄灭，励磁线圈中没有电流注意：转换励磁电流方向前应将励磁 电流幅度旋钮置最小值位置，以防止转换时产生强电弧烧损开关触点当观察电 子束在电场作用力下的偏转运动时，应将此开关置“断路”位置 14、励磁电流幅值旋钮 调节励磁线圈中电流幅值，顺时针转到底电流最大，约 2.5A，逆时针转到底时电流为零J2433－1 型有参考高强度，J2433－2 型有电表 指示 15、电源开关 仪器电源开关 16、电源指示灯 指示仪器是否接通电源 17、仪器后盖板上高有电源连接线，电源保险丝座（0.75A）励磁电流外接电流表及 加速极电压外接电压表接线柱 （四）工作原理 洛仑兹力演示器由洛仑兹力管、励磁线圈、控制及电源组合、暗箱四部分组成 洛仑兹力管又称威尔尼特电子管，该管是一个直径为 160 毫米的大玻璃泡，泡内抽真 空后，充入一定压强的混合惰性气体。

玻璃泡内装一个特殊结构的电子枪，由热阴极、调- 42 -制板、锥形加速极组成，还有一对偏转板当电子枪各电极加入适当工作电压后，便发射 出一束电子束具有一定能量的电子与惰性气体分子碰撞，使惰性气体发光，就能在电子 所经过的路径上看到光迹 励磁线圈又称亥姆霍兹线圈，这是一对直径为 280 毫米，每只为 140 匝的环形线圈， 同轴平行放置，间距为 140 毫米两只线圈串联连接当线圈通上电流后，在两只线圈间 轴线中点附近可得到匀强磁场，该处的磁感强度可按下式计算：）（T10910947RNIB（1） 式中 N――线圈匝数I――励磁电流（安）R――线圈半径（米） 两种型号仪器电原理图基本相同，如图 10－3 所示不同点仅是 J2433－2 型加速极 电压上并接有电压上并接有电压表 P1，励磁电流电路中串联有电流表 P2，供定量测试用 现将电路原理说明如下： T1为变压器，编号 1、2 初级通过电源开关 S3、保险丝 F1，接到交流 220 伏市电编 号 3、4 次级 6.3v 电压专供洛仑兹力管灯丝编号 5、6 次级 240 伏电压，经 V12－15桥式整 流得到 300 伏直流电压，经 R7、R8、C5、R6π 形滤波，供给稳压电路。

稳压电路由三端集 成稳压块 N3及保护管 V16等组成，使电压稳定为 250 伏，供给洛仑兹力管加速极及偏转板 加速极电压由电位器 RP4连续调节幅度，加到 V20管 5 脚偏转板电压由 RP3电位器可在 50 伏到 250 伏范围内连续调节，经过 S2开关控制方向后，回到 V20管 7、11 脚 T1变压器编号 9、10 次级 20 伏电压，经 V1-4桥式整流，C1电容滤波，由稳注管 V5 稳流后供给励磁线圈 L1、L2，R3是稳流电路取样电阻，其取样信号送到运算放大器 N2反 馈端，经放大后推动 V11三极管来控制稳流管基极，使电流保持稳定，其大小由 N2输入端 的电位决定，调 RP2电位器，其稳定电流可在 0－2.5A 变化接线柱 X3、X4供串接外电流 表使用当不用外接电流表时，应当用跨接铜片将其短路励磁电流通过开关 S1b、S1c改 变方向，接到励磁圈可以顺时针方向接通电流，也可以逆时针方向接通电流，并通过 S1a 开关接通发光二极管电压，以指示励磁电流的方向V10发光二极管作为电源接通信号灯用， 装在仪器面板上，通过 R2供电 T1变压器编号 7、8 级 9v 交流，经 V6-9桥式整流，N1三端稳压块输出 9 伏直流电压， 专供稳流管控制电路运放 N2及三极管 V11。

仪器控制及电源组合机箱上，固定一对励磁线圈 L1、L2在励磁线圈正中，装上洛 仑兹力管 V20洛仑兹各电极加入适当电压后，便发射出一束电子束，可看到电子束运动的 直线光迹这时如接通励磁线圈电源，电子束圈产生的匀强磁场中受到洛仑兹力的作 用，其矢量表达式为：（2）BVeF式中为电子受到的洛仑兹力，为电子束运动的速度，为磁感应强度FVB洛仑兹力的方向由左手定则确定，大小为：sineVBF- 43 -（3） 为电子电荷，为电子运动方向与磁场方向之间的夹角e图图 10-3 J2433-1 型、型、J2433-2 型洛仑兹力演示器电源原理图型洛仑兹力演示器电源原理图 注：注：J2433-1 型无型无 P1、、P2 电表电表- 44 -转动洛仑兹力管，当电子运动方向与磁场方向一致（或）时，电子不受洛仑兹力的作用，电子00180束轨迹为直线当电子运动方向与磁场方向垂直时，这时电子受到一个始终垂直于运动方向的洛仑兹力的eVBF  作用由于电子运动速度 V 是恒定的，于是力也是恒定的， 这个恒定的力对于运动着的电子起向心力的作用，电子运 动成为匀速圆周运动，其径迹为圆，如图 10－4 所示。

励 磁电流越大，磁场强度越大，作用力越大，圆的直径越小 当电子运动方向与磁场方向为任意角度时，可将电子运动 方向分解为平行于磁场和垂直于磁场两个分量平行于磁场分量不受力的作用，仍作直线 运动，垂直于磁场分量受到洛仑兹力的作用，作圆周运动，因此电子运动的合成径迹呈螺 旋线电子作匀速圆周运动时，向心力为，这为就是电子在匀强磁场中所受到的洛仑rmV2兹力，于是：eVBrmV2（4） 式中为电子运动的半径，m 为电子质量r 由公式（4）可推导出电子的荷质比为：rBV me（5） 电子在加速极电场中得到的动能等于电场对它所作功，即：aeVmV2 21（6） 式中 Va为加速极电压 从（6）式中可以求出电子运动的速度为：meVVa2（7） 将公式（1） 、 （7）代入（5）式，可得到电子荷质比为库仑/千克 2261047. 2IRV mea- 45 -（8） 于是可以根据加速极电压 Va，励磁线圈电流 I 及电子径迹圆半径 r，计算荷质比 洛仑兹力管中还装有一对偏转板断开励磁线圈电源，在偏转板上加电压，可以观察 电子在电场作用下的偏转运动当上偏转板加正电压，电子受电场作用力，运动径迹向上 偏转，如图 10－5 所示，偏转角 Φ 为：2mdVleVtgd（9）式中 Vd为偏转板上电压， 为偏转板长度，d 为l 偏转板间距离，V 为电子运动速度，m 为电子质量。

从公式中可见，偏转角与偏转板上所加电压 成正 比，与电子运动速度平方成反比也就是说与加速极电 压成反比当下偏转板加正电压时，电子运动径迹向下 偏转 为增强察效果，整个仪器装在木制暗箱内暗箱内 部涂无光黑漆，外表涂木器清漆暗箱也是仪器的外机 箱，出厂后，整机就固定在暗箱内 三、实验方法 1、准备工作 （1）打开仪器前箱盖，如果是新到货的仪器，请将励磁线圈中间的包装纸箱取下， 小心地将洛仑兹力管拿出，并插入仪器励磁线管间的管座上，注意要用手握住管座对准插 座，将管子插紧，切不能握住玻璃泡用力，以免管座松动管子插好后将仪器管座上一只 滚花螺钉转松，检查转动是否灵活检查时用手转动管座，不能转动玻璃泡 （2）检查仪器控制旋钮位置，应按下述要求放置： 加速极电压 逆时针转到零 励磁电流方向 断路 励磁电流幅值 逆时针转到最小值 偏转板电压方向 断路 偏转板电压幅值 逆时针转到 50V （3）将仪器后盖板上电源线松开，接到市电检查一下励磁电流接线柱处跨接铜片 是否接好打开电源开关，面板上指示灯即亮，洛仑兹力管中灯丝也发光，预热五分钟， 即可以正常作用 2．观察电子束在匀强磁场中的运动径迹。

1)观祭电子束在磁场中的偏转洛仑兹力演示器经预热后，顺时针方向转动加速极 电压旋钮，就可以看到洛仑兹力管发射出电子射线形成的直线径迹加速极电压一般加到 100 伏到 200 伏之间即可转动洛仑兹力管，使角度指示为 900，此时电子束径迹直线指向 左边，与励磁线圈轴线垂直将励磁电流方向开关扳到“逆时”位置，线圈上逆时针指向 信号灯发光，指示出励磁线圈已加上逆时针方向电流，按右手螺旋法则可知道线圈产生的 磁场平行于线圈轴线，方向朝向测试者根据左手定则，可确定电子所受到的洛仑兹力方 向朝下，于是可看到电子束径迹向下偏转顺时针转动励磁电流幅值旋钮，加大励磁电流，- 46 -可看到偏转角度增大将励磁电流幅值旋钮转到最小电流位置，励磁方向开关扳向“顺时” 位置，线圈上顺时针指向信号灯发光，指示出励磁线圈已加上顺时针方向电流，所产生的 磁场方向变化 1800，于是可看到电子束径迹向上偏转2)观察电子束在匀强磁场中作圆周运动将励磁电流幅值旋钮顺时转动，逐渐加大 励磁电流，可看到电子束径迹形成一个圆，如图 10－4 所示从公式(4)中可求出径迹圆的 直径为：D=2R=2 (10)eBmV电子束。