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洛倫茲力演示器

  • 編號:24052
  • 商品名稱:洛倫茲力演示器
  • 單位:臺
  • 規格型號:有洛倫茲力管
  • 商品價格:¥1600.00元
  • 瀏覽次數:8954

視頻資料

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一、概 述

洛侖茲力演示器是學校教學專用儀器,能演示磁場對運

動電子產生的洛侖茲力,可在三維空間觀察電子運動的徑跡,

并能測定電子的荷質比;儀器主要供給中等學校、大專院校

物理教學中作課堂演示與學生分組實驗。

洛侖茲力演示器按國家教委標準JY219-87 設計生產,該

儀器分二種型號:J2433-1 型,使用特別方便,適合中學、大

專院校課堂演示;J2433-2 型,面板上裝有2.5 級電表,適合

中學、大專院校演示實驗及學生分組實驗。

儀器的顯示部分為洛侖茲力管,玻殼直徑為160 毫米,

電子束徑跡呈綠色。儀器裝在木制暗箱內,當教室適當遮光

后,一般后排學生都能看見電子束運動的徑跡。

二、技 術 指 示

1、加速極電壓0~250V 連續可調。

J2433-1 型有參考讀數。

J2433-2 型電表讀數,誤差≤±2.5%

2、勵磁電流

電流方向:順時、斷路、逆時三檔。

有信號燈指示電流方向。

電流幅值:0-2.5A 連續可調

J2433-1 型有參考讀數

J2433-2 型電表讀數,誤差≤±2.5%

3、偏轉板電壓電壓方向 上正、斷路、下正三檔電壓幅度 50~250 伏連續可調有參考刻度

4、洛侖茲力管轉動角度>180°,有刻度指示。

5、電源 220 伏±10% 50Hz

6、功耗 45 

7、連續工作時間 小時

8、使用環境條件溫度 0~ +40相對溫度 20-80%30℃)

9、外形尺寸 350(寬)×450(高)×300(深)mm3

10、重量 11kg

三、控制器的作用

1分別為J2433-1J2433-2 型洛侖茲力演示器外形圖。按照圖上標的序號,將各部分作用說明如下:

1、洛侖茲力管 發射電子束并顯示電子束徑跡。

2、勵磁線圈 提供勻強磁場,使電子束產生偏轉

3、游標 用來對準電子束圓的邊緣,以測出電子束圓直徑。

4、標尺 測量電子束圓直徑用。

5、指針 指示洛侖茲力管轉動的角度。

6、度數尺 測量洛侖茲力管轉動的角度。

7、逆時信號燈 勵磁線圈中電流逆時針流向指示。

8、順時信號燈 勵磁線圈中電流順時針流向指示。

9、暗箱 起遮光作用,以增強觀察效果。

10、偏轉板電壓幅值旋鈕 調節加到偏轉板上的電壓幅值,順時針轉到底電壓為250 伏,逆時針轉到底時電壓為

50 伏,有參考刻度。

11、偏轉板電壓方向開關 分“上正”、“斷路”、“下

正”三檔。置“上正”時,洛侖茲力管內上偏轉板接進正電

壓,下偏轉板接地。置“下正”時,管內下偏轉板接進正電

壓,上偏轉板接地。置“斷路”時,管內上下偏轉板均無電

壓接入。觀察電子束在磁場洛侖茲力作用下的運動軌跡時,

應將其置“斷路”位置。

12、加速極電壓調節旋鈕 調節洛侖茲力管內加速極

上電壓的大小。J2433-1 型有參考刻度,J2433-2 型,有電表

指示。在儀器開機、關機前及暫不觀察電子束徑跡時,都應

將此旋鈕逆時針轉到底。

13、勵磁電流方向開關 控制通向勵磁線圈電流的方

向,分“順時”、“斷路”、“逆時”三檔。置“順時”時,線

圈上順時指向信號燈發光,勵磁線圈中電流為順時針方向,

調制板、錐形加速極組成,還有一對偏轉板。當電子槍各電

極加入適當工作電壓后,便發射出一束電子束。具有一定能

量的電子與惰性氣體分子碰撞,使惰性氣體發光,就能在電

子所經過的路徑上看到光跡。

勵磁線圈又稱亥姆霍茲線圈,這是一對直徑為280 毫米,

每只為140 匝的環形線圈,同軸平行放置,間距為140 毫米。

兩只線圈串聯連接。當線圈通上電流后,在兩只線圈間軸線

中點附近可得到勻強磁場,該處的磁感應強度可按下式計算:

B=9×10-7 RNI=9×10-4(特斯拉) (1式中N——線圈匝數I——勵磁電流(安)

R——線圈半徑(米)兩種型號儀器電原理圖基本相同,如同所示。不同點

僅是J2433-2 型加速極電壓上并接有電壓表P1,勵磁電流電

路中串聯有電流表P2,供定量測試用。現將電路原理說明如

下:T為電源變壓器,編號1初級通過電源開關S3、保

險絲F1,接到交流220 伏市電。編號3次級6.3 伏電壓專

供洛侖茲力管燈絲。編號5次級240 伏電壓,經V12-15 

式整流得到300 伏直流電壓,經R7R8C5R6π形濾波,

供給穩壓電路。穩壓電路由三端集成穩壓塊N及保護管V16

等組成,使電壓穩定為250 伏,供給洛侖茲力管加速極及偏

轉板。加速極電壓由電位器RP連續調節幅度,加到V20 

 

腳。偏轉板電壓由RP電位器可在50 伏到250 伏范圍內連續

調節,經過S開關控制方向后,加到V20 711 腳。

T變壓器編號910 次級20 伏電壓,經V1-4 橋式整流,

C電容濾波,由穩流管V穩流后供給勵磁線圈L1,L2,R是穩

流電路取樣電阻,其取樣信號送到運算放大器N反饋端,經

放大后推動V11 三級管來控制穩流管基極,使保持電流穩定,

其大小由N輸入端的電位決定,調RP電位器,其穩定電流

可在0~2.5A 變化。接線柱X3X供串接外電流表使用。當

不用外接電流表時,應當用跨接銅片將其短路。勵磁電流通

過開關S1b,S1c 改變方向,接到勵磁圈。可以順時針方向接通

電流,也可以逆時針方向接通電流,并通過S1a 開關接通發

光二極管電壓,以指示勵磁電流的方向。V10 發光二極管作

為電源接通信號燈用,裝在儀器面板上,通過R供電。

T變壓器編號7次級9V 交流,經V6-9 橋式整流,

N三端穩壓塊輸出伏直流電壓,專供穩流管控制電路運放

N及三級管V11儀器控制及電源組合機箱上,固定一對勵磁線圈L1L2

在勵磁線圈正中,裝上洛侖茲力管V20。洛侖茲力管各電極

加入適當電壓后,便發射出一束電子束,可看到電子束運動

的直線光跡。這時如接通勵磁線圈電源,電子束在線圈產生

的勻強磁場中受到洛侖茲力的作用,其矢量表達式為:= -eV ′ (2)

式中為電子受到的洛侖茲力,為電子束運動的速

度, 為磁感應強度。洛侖茲力的方向由左手定則確定,大小為:F= e VBSina 3

為電子電荷,α為電子運動方向與磁場方向之間的夾角。

轉動洛侖茲力管,當電子運動方向磁場方向一致α=0 

相反α=180°時,電子不受洛侖茲力作用,電子束軌跡為直

線。當電子運動方向與磁場方向垂直時,這時電子受到一個

始終垂直于運動方向的洛侖茲力F= e VB 的作用。由于電子

運動速度是恒定的,勻強磁場中也是恒定的,于是力也

是恒定的,這個恒定的力對于運動著的電子起向心力的作用,

電子運動成為勻速圓周運動,其徑跡為圓,如圖所示。勵磁電流越大,

磁場強度越大,作用力越大,圓的直徑越小。當電子運動方向與磁場方向

為任意角度時,可將電子運動方向分解為平行于磁場和垂直于磁場兩個

分量。平行于磁場分量不

 

受力的作用,仍作直線運動,垂直于磁場分量受到洛侖茲力

的作用,作圓周運動,因此電子運動的合成徑跡呈螺旋線。

電子作勻速圓周運動時,向心力為

rmV 2,這力就是電子在勻強磁場中所受到的洛侖茲力,于是:eVBrmV =24

式中為電子運動的半徑為電子質量

由公式(4)可推導出電子的荷質比為:rBVm5

電子在加速極電場中得到的動能等于電場對它所作的功,即:mV eVa216式中V為加速極電壓。

從(6)式中可以求出電子運動的速度為;meV7

將公式(1)、(7)代入(5)式,可得到電子荷質比為2 22.47 106r IVm= ′ 庫侖/公斤 (8

于是可以根據加速極電壓V,勵磁線圈電流及電子徑跡圓半徑r,計算出電子的荷質比。

洛侖茲力管中還裝有一對偏轉板。斷開勵磁線圈電源,

在偏轉板上加電壓,可以觀察電子在電場作用下的偏轉運動。

當上偏轉板加正電壓,電子受電場作用力,運動徑跡向上偏

轉,如圖所示,偏轉角Φ為:21mdVtgF = eVd9

式中V為偏轉板上電壓為偏轉板長度為偏轉板間距離為電子運動速度

為電子質量從公式中可見,偏轉角與偏轉板上所加電壓成正比,與

電子運動速度平方成反比。也就是說與加速極電壓成反比。

當下偏轉板加正電壓時,電子運動徑跡向下偏轉。

為增強觀察效果,整個儀器裝在木制暗箱內。暗箱內部

涂無光黑漆,外表涂木器清漆。暗箱也是儀器的外機箱,出

 

廠以后,整機就固定在暗箱內。

五、使 用 方 法

1、準備工作

1)打開儀器前箱蓋,如果是新到貨的儀器,請將勵磁

線圈中間的包裝紙箱取下,小心地將洛侖茲力管拿出,并插

入儀器勵磁線管間的管座上,注意要用手握住管座對準插座,

將管子插緊,切不能握住玻璃管泡用力,以免管座松動。管

子插好后將儀器管座上一只滾花螺釘轉松,檢查轉動是否靈

活。檢查時用手轉動管座,不能轉動玻璃泡。

2)檢查儀器控制旋鈕位置,應按下述要求放置:

加速極電壓 逆時針轉到零

勵磁電流方向 斷路

勵磁電流幅值 逆時針轉到最小值

偏轉板電壓方向 斷路

偏圍板電壓幅值 逆時針轉到50V

3)將儀器后蓋板上電源線松開,接到市電。檢查一下

勵磁電流接線柱處跨接銅片是否接好。打開電源開關,面板

上指示燈即亮洛侖茲力管中燈絲也發光,預熱五分鐘,即可以正常作用。

2、觀察電子束在勻強磁場中的運動徑跡。

1)觀察電子束在磁場中的偏轉。洛侖茲力演示器經預

熱后,順時針方向轉動加速極電壓旋鈕,就可以看到洛侖茲

力管發射出電子射線形成的直線徑跡。加速極電壓一般加到

100 伏到200 伏之間即可。轉到洛侖茲力管,使角度指示為

90°,此時電子束徑跡直線指向左邊,與勵磁線圈軸線垂直。

將勵磁電流方向開關扳到“逆時”位置,線圈上逆時針指向

信號燈發光,指示出勵磁線圈已加上逆時針方向電流,按右

手螺旋法則可知道線圈產生的磁場平行于線圈軸線,方向朝

向測試者。根據左手定則,可確定電子所受到的洛侖茲力方

向朝下,于是可看到電子束徑跡向下偏轉。順時針轉動勵磁

電流幅值旋鈕加大勵磁電流,可看到偏轉角度增大。將勵磁

電流幅值旋鈕轉到最小電流位置,勵磁方向開關扳向“順時”

位置,線圈上順時針指向信號燈發光,指示出勵磁線圈已加

上順時針方向電流,所產生的磁場方向變化180°,于是可看

到電子束徑跡向上偏轉。

2)觀察電子束的勻強磁場中圓周運動。將勵磁電流幅

值旋鈕順時轉動,逐漸加大勵磁電流,可看到電子束徑跡形

成一個圓如圖所示。從公式(4)中可求出徑跡圓的直徑為:

eB2mV 10

電子束作圓周運動的直徑正比于電子運動的速度V,反

比于磁場強度B。可以用實驗來證明。在加速電壓不變時,

當加大勵磁電流時,磁場加大,可看到電子束徑跡圓直徑

減小。在勵磁電流不變時,當加大加速極電壓,電子運動的

速度加大,可看到電子束徑跡圓直徑加大。

3)觀察電子束在三維空間的運動徑跡。順時針轉洛侖

茲力管,使角度指示為180°電子束方向和磁場方向平行時,

電子不受磁場作用力,可看到電子束徑跡為一直線。當轉動

角度指示為130°~150°時,即電子束方向與磁場方向成交角

時,看到電子束徑跡呈螺旋線。這就驗證了公式(2)。

3、觀察電子束在電場作用下的偏轉運動。

將勵磁電流幅值旋鈕逆時針轉到最小值,勵磁電流方向

開頭扳到“斷路”位置,勵磁線圈上的信號燈熄滅,表示勵

磁線圈沒有通電流,不產生磁場。轉動洛侖茲力管,使角度

指示為90°,即電子束指向左邊垂直線圈軸線。將偏轉板電

壓方向開關扳到“上正”位置,洛侖茲力管內上偏轉板加上

正電壓,下偏轉板接地,于是可看到電子束徑跡向上偏轉。

順時針轉動偏轉板幅值旋鈕,加大偏轉板上電壓,電子束上

偏角度加大。在偏轉板電壓不變情況下,加大加速極電壓,

可看到電子束上偏轉角度減小。以上觀察到的現象驗證了公

式(9)。如將偏轉板電壓方向旋鈕扳到“下正”位置,洛侖

茲力管內下偏轉板上加上正電壓,上偏轉板接地,于是可看

到電子束徑跡向下偏轉。4、電子荷質比me的測量

1)測量電子荷質比時,除J2433-2 型儀器本身帶指示

電表外,J2433-1 型儀器應外接電壓表與電流表,電流的精度

應在級以上。當要求提高測量精度時,J2433-2 型儀器也可

以外接電流表與電壓表。

2)儀器采用外接電表指示時,可將250 伏或300 伏直

流電壓表接到儀器后蓋板上標有“加速級電壓”的接線柱上。

將標有“勵磁電流”的兩只接線柱上跨接銅片取下,接入2.5А

3A 直流電流表。連接時注意正負極性應接對。

3)儀器接好線路后,按準備工作的要求進行預熱。

4)順時針偏轉加速極電壓旋鈕,使加速極電壓調到

150 伏。將勵磁電流方向開關扳到“順時”位置,順時針

轉動勵磁電流幅值旋鈕,并轉動洛侖茲力管使角度指示為

90°,此時電子束徑跡成為一個圓。

5)加上標尺,并將標尺調到能方便讀測電子束徑跡圓

直徑的高度,用游標上形槽瞄準圓的兩個邊線,讀測出圓

的直徑,如圖所示。并讀出此時電表指示的勵磁電流值及

加速極電壓值,將以上數據代入公式(8),即可計算出電子

的荷質比。

6)為了提高測試的準確性,應當在不同加速極電壓及

不同勵磁電流值,測出多組數值進行計算,再取平均值。下

面給出本型號儀器測試的幾組數據供參考。

加速極電壓

(伏)勵磁電流(安)電子束半徑(米)荷質比測試值(庫侖/公斤)

140 0.92 0.0455 1.9734×1011

140 1.11 0.038 1.9736×1011

140 1.29 0.0345 1.7453×1011

140 1.47 0.0285 1.8385×1011

140 1.64 0.026 1.9019×1011

以上測試數據的平均荷質比值為1.88064×1011 庫侖/

斤,電子的電荷量e=1.60210×10-19 庫侖,質量m=9.1091×

10-31 公斤,計算出理論荷質比值me=1.75879×1011 庫侖/

斤,測試值與理論值之間相對誤差為6.9%加速極電壓(伏)勵磁電流(安)

電子束半徑(米)荷質比測試值(庫侖/公斤)

192 1.06 0.0475 1.8706×1011

192 1.26 0.039 1.9639×1011

192 1.44 0.0365 1.7167×1011

192 1.61 0.0315 1.8438×1011

192 1.78 0.029 1.7798×1011

以上測試數據的平均荷質比值為1.83496×1011 庫侖/

斤,與理論之間相對誤差為4.3%

5)欲使荷質比質量數據準確,關鍵是電子束徑跡圓直

徑應測準。圓的直徑應調到公分到公分之間較為合適。

6)測試完畢后,將加速極電壓旋鈕反時針轉到零,勵

磁電流幅值旋鈕反時針轉到底,然后關掉電源開關,拆去外

接電表,將儀器恢復到原來狀態。

 

五、注 意 事 項

1、洛侖茲力管的壽命較短,為延長洛侖茲力管的使用壽

命,儀器使用前,先檢查加速極電壓旋鈕是否逆時針轉到零。

預熱分鐘后,再順時針轉動加速極電壓旋鈕,一般加上100

伏到200 伏之間加速電壓即可,儀器暫時不觀察時,應將加

速極電壓旋鈕轉到零,待需要觀察時再加上加速極電壓。儀

器使用結束時,先將加速極電壓旋鈕轉到零,再關電源開關。

儀器連接工作時間不要超過一小時。

2、實驗時需要轉換勵磁電流方向時,一定要先將勵磁電

流幅值旋鈕轉到最小電流值位置后再進行,防止大電流轉換

電弧過大燒損轉換開關。

3、轉到洛侖茲力管時,應推動管座上的滾花螺釘或轉動

管子膠木管座部分,決不要轉動管子玻璃泡,以免損壞管子。

當轉動角度指示超過180°時,不要再繼續轉動,以防內

部止轉裝置損壞。

4、觀察洛侖茲力現象時,一定要將偏轉板電壓幅值旋鈕

逆時針轉到最小,偏轉板電壓方向開關扳到“斷路”位置。

觀察電場作用力時,一定要將勵磁電流幅值旋鈕轉到最小值,

勵磁電流方向開關扳到“斷路”位置。

5、儀器使用時,如發生保險絲熔斷,應分析與檢查儀器

是否發生了故障,找出原因后再換保險絲。電源保險絲F0..

75А),裝在儀器后蓋板保險絲盒內。

6、儀器運輸、存放時,一定注意不能將儀器倒置。將洛

侖茲力管座上的滾花螺釘旋入上蓋罩上鉚裝螺母中,蓋好暗

箱蓋板。搬動時要防止碰撞。儀器應存放在陰涼、干燥、通

風的地方,存放滿三個月時,必須開機一次,開機時間為一

小時,開機時不加加速極電壓,勵磁線圈電流開關置順時

電流幅值旋鈕調到安位置。



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