نيروی لورنتز

برای دیدن تصویر بزرگتر کلیک کنید
نمایش بزرگتر تصویر





راهنمای عملکرد دستگاه نمایش‌دهندۀ نیروی لورنتز

(Lorentz Force Demonstrator Model: J2433-2 )

1.  مقدمه

دستگاه نمایش‌دهندۀ نیروی لورنتز، نیروی لورنتز وارد بر الکترون متحرک بوسیلۀ میدان مغناطیسی و انحراف الکترونهای متحرک در میدان الکتریکی را نمایش می دهد. نسبت بار به جرم الکترون هم بوسیلۀ این دستگاه بخوبی قابل تعین است. برای محاسبۀ نسبت بار به جرم، روش کلی کار بدین صورت است که باریکۀ الکترونی را با ولتاژ مشخصی شتاب می‌دهیم و بوسیلۀ جریان سیم‌پیچ با مقدار معلوم آن را در مسیر دایره‌ای منحرف می‌کنیم. با استفاده از یک مقیاس که روی قسمت جلویی لامپ تعبیه شده قطر دایرۀ انحراف را می‌یابیم و بدین نحو اطلاعات لازم برای محاسبۀ e/m را بدست می‌آوریم. این دستگاه برای آموزش فیزیک در کلاس، آزمایشات گروهی دانش‌آموزان در مدارس راهنمایی و دبیرستان، دانشکده‌ها و دانشگاه‌ها بسیار مورد استفاده است.

2. اطلاعات فنی

1.  ولتاژ الکترود شتاب‌دهنده:

دارای رنج پیوسته و قابل‌تنظیم 0~250V .

خطای ولتمتر روی صفحه 0.25%

2.  جریان مغناطیسی

محدودۀ جریان بین 0~0.25A پیوسته و قابل تنظیم

خطای آمپرمتر روی صفحه 0.25%

کلید جهت جریان 3 حالت دارد: ساعتگرد، پادساعتگرد، خاموش

3.  ولتاژ صفحۀ انحراف

محدودۀ ولتاژ بین 50~250A است پیوسته و قابل تنظیم

ولتاژ 3 حالت دارد: مثبت در صفحۀ بالایی، مثبت در صفحۀ پایینی، خاموش

4.  شرایط راه‌اندازی

دمای محیط: 0°C-40°C

رطوبت نسبی: 20%-90% (در دمای 40°C )

مشخصات منبع تغذیه: 220±22V AC و 50Hz

میزان زمان عملکرد: یک ساعت کارکرد پیوسته

ابعاد کلی: 350mm×450mm×300mm

وزن: تقریبا 11Kg

3. عملکردها کنترل‌کننده‌ها

نمای خارجی دستگاه نیروی لورنتز در شکل 1 نشان داده شده است. عملکرد قسمت‌ها به ترتیب در زیر بیان شده است:

1.  لامپ نیروی لورنتز: برای انتشار و نمایش باریکۀ الکترونی.

2.  سیم‌پیچ مغناطیسی: برای تولید میدان مغناطیسی یکنواخت.

3.  ورنیه: برای نشانگیری خط کناری باریکۀ الکترونی که به صورت دورانی درآمده است.

4.  خط‌کش: برای اندازه‌گیری قطر باریکۀ الکترونی که به صورت دورانی درآمده است.

5.  اشاره‌گر: برای نشان دادن زاویۀ چرخش لامپ نیروی لورنتز.

6.   خط کش زاویه: برای اندازه‌گیری زاویۀ چرخش لامپ نیروی لورنتز.

7.  لامپ نشانگر پادساعتگرد: نشاندهندۀ جریان پادساعتگرد در سیم‌پیچ مغناطیسی.

8.  لامپ نشانگر ساعتگرد: نشاندهندۀ جریان ساعتگرد در سیم‌پیچ مغناطیسی.

9.  جعبه سیاه: برای مشاهدۀ بهتر اثر آزمایش، نور را کم می‌کند.

10. پیچ تنظیم ولتاژ منحرف‌کننده: برای تنظیم ولتاژ در منحرف‌کننده‌ها.

11. کلید جهت ولتاژ منحرف‌کننده: برای تغییر جهت ولتاژ منحرف‌کننده‌ها در لامپ نیروی لورنتز. 3 حالت دارد: مثبت در صفحۀ بالایی، مثبت در صفحۀ پایینی، خاموش. هنگامیکه متوجه انحراف الکترون‌های متحرک در میدان مغناطیسی شدید، کلید باید روی حالت خاموش قرار گیرد.

12. پیچ تنظیم ولتاژ الکترود شتاب‌دهنده: برای تنظیم ولتاژ الکترود شتاب‌دهنده در لامپ نیروی لورنتز. ولتاژ بوسیلۀ ولت متر روی صفحه بیان می‌شود.

13. کلید جهت جریان مغناطیسی: برای تغییر جهت جریان در سیم‌پیچ مغناطیسی. 3 حالت دارد: ساعتگرد، پادساعتگرد، خاموش. قبل از تغییر جهت جریان، مقدار جریان باید روی صفر قرار گیرد. هنگامیکه متوجه انحراف الکترون‌های متحرک در میدان مغناطیسی شدید، کلید باید روی حالت خاموش قرار گیرد.

14. پیچ تنظیم جریان مغناطیسی: برای تنظیم جریان در سیم‌پیچ مغناطیسی. جریان بوسیلۀ آمپرمتر روی صفحه نشان داده می‌شود.

15. کلید برق دستگاه

16. لامپ نشانگر روشن یا خاموش بودن دستگاه

17. در پنل پشتی سیم برق، جعبه فیوز منبع برق و چهار خروجی برای ولتاژ الکترود شتابدهنده و جریان مغناطیسی تا بتوانند به آمپرمتر و ولت‌متر وصل شوند.

4. دستورالعمل‌های کارکرد

1.  نکات قابل توجه پیش از راه اندازی:

بهتر است که کاربر پیش از راه‌اندازی دستگاه این کتابچۀ راهنما را مطالعه کند تا بتواند دستگاه را به درستی و با نهایت کارآیی به کار گیرد.

صفحۀ جلویی جعبۀ سیاه را باز کنید و لامپ نیروی لورنتز را از جعبۀ بسته‌بندی بین سیم‌پیچ مغناطیسی بیرون آورید و به دقت در نگهدارنده ی لامپ قرار دهید.

کلیدهای روی صفحۀ کنترل جلویی به شرح جدول 1 تنظیم شده است:

اسم کلید

مکان تنظیم

تنظیم‌کنندۀ ولتاژ شتاب‌دهنده

تا انتهای مکان پادساعتگرد چرخانده شده است

جهت جریان مغناطیسی

خاموش

تنظیم‌کنندۀ جریان مغناطیسی

تا انتهای مکان پادساعتگرد چرخانده شده است

جهت ولتاژ منحرف‌کننده

خاموش

تنظیم‌کنندۀ ولتاژ منحرف‌کننده

تا انتهای مکان پادساعتگرد چرخانده شده است

دستگاه را به برق 220V بزنید و کلید برق دستگاه را بزنید. چراغ نشانگر قرمز می‌شود. بعد از مدت کمی پیش‌گرمایش، دستگاه آمادۀ استفاده خواهد بود.

2.  مشاهدۀ مدار الکترون های متحرک در میدان مغناطیسی:

(1). پیچ تنظیم ولتاژ شتاب‌دهنده را به صورت ساعتگرد بچرخانید تا ولتاژ افزایش یابد. در این هنگام ممکن است که خط مستقیمی از الکترون‌های متحرک را مشاهده کنید. از آنجاییکه این باریکۀ الکترونی با میدان الکتریکی یا مغناطیسی درگیر نشده است، یک مسیر مستقیم را دنبال می‌کند.

(2). لامپ نیروی لورنتز را بچرخانید تا نشانگر زاویۀ 90° را نشان دهد. کلید جهت میدان مغناطیسی را روی ساعتگرد قرار دهید و پیچ تنظیم جریان مغناطیسی را ساعتگرد بچرخانید تا جریان افزایش یابد. حال ممکن است مشاهده کنید که باریکۀ الکترونی به سمت بالا شیب می‌گیرد؛ با افزایش جریان، این خمیدگی هم افزایش می‌یابد تا جاییکه این باریکه به فرم دایره‌ای درمی‌آید.

 قطر دایرۀ باریکۀ الکترونی نسبت مستقیم با سرعت الکترون‌های متحرک و نسبت عکس با شدت میدان مغناطیسی دارد. با افرایش ولتاژ شتابدهنده دایرۀ باریکۀ الکترونی بزرگ و با افزایش جریان مغناطیسی دایرۀ باریکۀ الکترونی کوچک می‌شود.

(3). لامپ نیروی لورنتز را بچرخانید تا نشانگر زاویۀ 130°~150° را نشان دهد. حال ممکن است یک باریکۀ مارپیچ الکترونی را مشاهده کنید. لامپ نیروی لورنتز را بچرخانید تا نشانگر زاویۀ 180° را نشان دهد. جهت الکترون‌های متحرک با جهت میدان مغناطیسی موازی است بنابرین الکترون‌ها تحت تأثیر میدان مغناطیسی قرار نگرفته و مسیر مستقیم خود را ادامه می‌دهند.

3.  تعیین نسبت بار به جرم الکترون:

لامپ نیروی لورنتز را بچرخانید تا نشانگر زاویۀ 90° را نشان دهد. ولتاژ الکترود شتاب‌دهنده در حدود 150V تا 200V و جریان مغناطیسی در رنج 1A تا 2A تنظیم شود. قطر دایرۀ باریکۀ الکترونی (D ) را همانند شکل 3 اندازه بگیرید.

 

ولتاژ شتاب‌دهنده (Va ) و جریان مغناطیسی (I ) را بخوانید.        

4.  مشاهدۀ انحراف الکترون متحرک در میدان الکتریکی

پیچ تنظیم جریان مغناطیسی را روی مینیمم قرار دهید، کلید جهت جریان مغناطیسی را روی خاموش تنظیم کنید و کلید جهت ولتاز منحرف‌کننده را روی بالا تنظیم کنید. صفحۀ انحراف بالای لامپ با ولتاژ مثبت تماس پیدا می‌کند و می‌توانیم ببینیم که اشعۀ الکترونی به سمت بالا منحرف شده است.

 

پیچ تنظیم ولتاژ منحرف‌کننده را به صورت ساعتگرد بچرخانید تا ولتاژ را افرایش دهید و مشاهده کنید که زاویۀ انحراف باریکۀ الکترونی بزرگتر می‌شود.

ولتاژ منحرف‌کننده را تغییر ندهید ولی ولتاژ شتاب‌دهنده را افزایش دهید تا مشاهده کنید که زاویۀ انحراف باریکۀ الکترونی کوچکتر می‌شود.

5. نکات قابل توجه

1.  لامپ نیروی لورنتز دستگاهی با عمر کوتاه است، برای افزایش طول عمر آن، ولتاژ شتاب‌دهنده را قبل از عملکرد روی مینیمم قرار دهید، بعد از 5 دقیقه پیش‌گرمایش، ولتاژ شتاب‌دهنده را بین 100~200V در جایی قرار می‌دهیم که باریکۀ الکترون متحرک را ببینیم. وقتی آزمایش تمام می‌شود ولتاژ شتاب‌دهنده را روی صفر قرار می‌دهیم، سپس کلید برق را روی خاموش قرار می‌دهیم. زمان آزمایش نباید از یک ساعت تجاوز کند.

2.  در آزمایشی که نیاز است که جهت جریان مغناطیسی عوض شود، ابتدا باید جریان مغناطیسی را روی صفر قرار دهیم و سپس جهت جریان را عوض کنیم تا از صدمه به کلید در جریان‌های بزرگ جلوگیری کنیم.

3.  برای چرخاندن لامپ نیروی لورنتز باید پایۀ لامپ را بچرخانیم نه شیشۀ لامپ را، تا از صدمه به لامپ نیروی لورنتز جلوگیری کنیم.

4.  برای مشاهدۀ ظهور نیروی لورنتز، باید کلید جهت جریان منحرف‌کننده را روی خاموش قرار دهیم. برای مشاهدۀ انحراف الکترون‌های متحرک در میدان الکتریکی، باید جریان مغناطیسی را روی مینیمم و کلید جهت جریان مغناطیسی را روی خاموش قرار دهیم.