ESPERIMENTI SUL COMPORTAMENTO DEI RAGGI CATODICI IN UN CAMPO ELETTRICO E IN UN CAMPO MAGNETICO MEDIANTE IL TUBO DI DEFLESSIONE

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Ortensia Forte
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1 ESPERIMENTI SUL COMPORTAMENTO DEI RAGGI CATODICI IN UN CAMPO ELETTRICO E IN UN CAMPO MAGNETICO MEDIANTE IL TUBO DI DEFLESSIONE ATTENZIONE: PERICOLO! In questa esperienza si impiegano altissime tensioni ( fino a 5000 Volt! ). E fatto obbligo di fare controllare i collegamenti al Tecnico di Laboratorio prima di accendere. Descrizione dell apparato Il tubo di deflessione è costituito da un ampolla trasparente di vetro in cui è stato praticato il vuoto e all interno della quale un cannoncino emette, per effetto termoionico (tensione di alimentazione V = 6.3 V), uno stretto fascio di elettroni accelerati da una tensione anodica V A, variabile da 0 a 5 kv. Tale fascio, per essere reso visibile, è intercettato da un foglio piatto di mica, un lato del quale è rivestito da una sostanza fluorescente e l altro è graduato in centimetri. Il foglio di mica è tenuto a 15 rispetto all asse del tubo per mezzo di due placche metalliche (armature di un condensatore piano distanti d=5.4 cm) che possono essere usate per studiare la deflessione elettrostatica del fascio di elettroni per mezzo di un Campo Elettrico (C.E.) creato stabilendo una d.d.p. tra le placche V P, variabile tra 0 e 5 kv (Fig. 1). L intera ampolla è posizionata tra due bobine di Helmholtz che, opportunamente alimentate da un generatore di corrente Questa scheda è disponibile sul sito pag. 1 di 6 ultima revisione: 31 marzo 010

2 continua (V H =0-30 V), forniscono un Campo Magnetico (C.M.) uniforme nella zona di transito degli elettroni. Tale C.M. è perpendicolare alla velocità degli elettroni e permette pertanto di studiare la deflessione magnetica del fascio di elettroni su una traiettoria circolare (Fig. ). Fig. 1 Fig. Esperimento 1: DEFLESSIONE ELETTROSTATICA Per questo esperimento le bobine di Helmholtz devono essere disconnesse. Bisogna invece stabilire una d.d.p. V P tra le placche metalliche deflettenti per creare il C.E. Un elettrone che passa in un C.E. (omogeneo) di un condensatore con velocità v, si muove su di una traiettoria parabolica (Fig. 3). Questa scheda è disponibile sul sito pag. di 6 ultima revisione: 31 marzo 010

3 Fig. 3 y = x 4d V V P A (1) Il tubo di deflessione permette la verifica della relazione (1). Modo di operare Il circuito per la produzione ed accelerazione degli elettroni e per la realizzazione del C.E. è premontato e solidale al tubo di deflessione. Occorre tuttavia prendere visione dei collegamenti degli alimentatori ai vari elementi del circuito. 1. Verificare che il filamento sia collegato alla sezione del 1 alimentatore V =6.3 V.. Verificare che la tensione anodica V A sia prelevata, tramite puntali ad alto isolamento, dalla sezione del 1 alimentatore 0-5 kv. 3. Verificare che la tensione alle placche V p sia prelevata, tramite puntali ad alto isolamento, dalla sezione del alimentatore 0-5 kv. 4. Accendere i suddetti alimentatori. Fissato un valore di V A, (V A è direttamente leggibile sullo strumento solidale all alimentatore) scegliere un valore di V p (anch esso leggibile sullo strumento solidale all alimentatore). Leggere sul foglio luminescente graduato le posizioni del fascio x i e y i. 5. Ripetere il punto 4. per vari valori di V A e V p e confrontarli con i valori attesi sulla base della relazione (1). Questa scheda è disponibile sul sito pag. 3 di 6 ultima revisione: 31 marzo 010

4 Esperimento : DEFLESSIONE MAGNETICA (Misura di e/m) Per questo esperimento le placche di deflessione elettrostatica devono essere disconnesse. Vengono invece alimentate, tramite un d.d.p. V H, le bobine di Helmholtz che saranno pertanto percorse da una corrente i H (Fig. ). Sotto l azione del C.M. gli elettroni subiranno una deflessione circolare; sullo schermo di mica viene quindi visualizzato un arco di circonferenza di raggio r. Il rapporto e/m può essere ricavato tramite: e m = V B A r () dove V A è la tensione anodica, B è il C.M. e r il raggio di curvatura della traiettoria. V A è direttamente leggibile sullo strumento solidale all alimentatore; il C.M. B si determina conoscendo le caratteristiche geometriche delle bobine di Helmholtz: B = μ i 0 H n R ( R + a ) 3 T (3) ove: n=30, numero di spire R=6.8 cm, raggio della bobina a=3.4 cm, semidistanza delle bobine i H corrente che fluisce nelle bobine, leggibile tramite un amperometro collegato in serie con le bobine. Questa scheda è disponibile sul sito pag. 4 di 6 ultima revisione: 31 marzo 010

5 Fig. 4 Il raggio di curvatura r può essere determinato a partire dalle coordinate (x,y) dei punti del percorso degli elettroni sullo schermo fluorescente. In relazione alla Fig. 4 risulta: r = x + ( r y) (4) per cui: y = x y r + (5) Considerando che tra y e (x +y ) esiste una relazione lineare, il raggio r può essere calcolato tramite il coefficiente angolare 1/r di una retta di best-fit con ascissa (x +y ) e ordinata y. Modo di operare Il circuito per la produzione e accelerazione degli elettroni e per la realizzazione del C.M. è premontato e solidale al tubo di Questa scheda è disponibile sul sito pag. 5 di 6 ultima revisione: 31 marzo 010

6 deflessione. Occorre tuttavia prendere visione dei collegamenti degli alimentatori ai vari elementi del circuito. 1. Verificare che il filamento sia collegato alla sezione del 1 alimentatore V =6.3 V.. Verificare che la tensione anodica V A sia prelevata, tramite i puntali ad alto isolamento, dalla sezione del 1 alimentatore 0-5 kv. 3. Verificare che l alimentazione V H delle bobine di Helmholtz venga prelevata dal alimentatore 0-30 V e che sia inserito in serie un amperometro per la lettura della corrente i H. 4. Accendere il 1 alimentatore per dare tensione al filamento (V =6.3 V) e stabilire la tensione anodica V A. Annotare il valore di V A. 5. Prima di alimentare le bobine controllare se il fascio elettronico corre simmetrico sulla linea orizzontale di zero del sistema di coordinate dello schermo fluorescente; se non fosse così, appoggiare, in vicinanza del collo del tubo, sulla forcella o sulla piastra di base un piccolo magnete a sbarra in modo che l asse del fascio corra sulla linea di zero; non variare più la posizione del piccolo magnete. 6. Alimentare le bobine tramite il alimentatore, scegliere un valore di i H ed annotare le coordinate (x,y) del fascio sullo schermo fluorescente. 7. Ripetere il punto 6. per altri valori di i H. 8. Misurare e/m tramite la relazione (). 9. Ripetere i punti per altri valori di V A. NOTA: Un interruttore invertitore permette di invertire il verso della corrente nelle bobine di Helmholtz e quindi il verso del C.M. e quindi la curvatura dell arco di traiettoria circolare visibile contro lo schermo di mica. Questa scheda è disponibile sul sito pag. 6 di 6 ultima revisione: 31 marzo 010

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