Physique atomique et nucléaire
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1. i 2 1A 84 10 A9 Physique atomique et nucl aire Fiches d exp riences Exp riences d initiation de physique Charge sp cifique de l lectron D termination de la charge sp cifique de l lectron Objectifs exp rimentaux M Analyse de la d viation subie par les lectrons dans un champ magn tique sur un anneau circulaire ferm MH D termination du champ magn tique B en fonction de la tension d acc l ration U des lectrons pour un rayon r constant M D termination de la charge sp cifique de l lectron Principes de base De mani re exp rimentale la masse m de l lectron est diffi cilement mesurable Il est plus facile de d terminer la charge sp cifique de l lectron e e Me 1 partir de laquelle on peut calculer la masse m pour une charge l mentaire connue e Sur un lectron qui se d place verticalement la vitesse v vers un champ magn tique homog ne B la force de Lorentz F e v B Il agit verticalement sur la vitesse et sur le champ magn tique Cette force en tant que force centrip te contraint l lectron 2 vV F m 111 X X X X X X X X X suivre une course circulaire pr sentant un rayon r Cf fig 1 x ce qui fait que e V e IV x me r B Lors de l exp rience les lectrons subissent une acc l ration x dans un tube faisceau lectronique filiforme avec une tension U pour parvenir l nergie cin tique X m e U v2 V 2 X 7 Fobi P2. Pour obtenir la charge sp cifique de l lectron on peut alors utiliser l quation suivante 2 U e me r B e x e x x x x x x x x x Fig 1 D viation des lectrons dans un champ magn tique B par la force de Lorentz F sur un anneau circulaire ferm avec rayon fix r P6 1 3 1 Materi l 1 Tube faisceau lectronique filiforme 555571 1 Paire de bobines de Helmholtz avec support et dispositif de mesure 555 581 1 Bloc d alimentation r seau pour tubes 0 500V 52165 1 Bloc d alimentation DC 0 20 V 521 54 1 Voltm tre DC U 300V p ex 531100 1 Amp rem tre DC 153A p ex 531100 1 M tre ruban m tallique 2m 31177 3 C bles de s curit 25cm 500 614 3 C bles de s curit 50 cm 500 624 7 C bles de s curit 100 cm 500 644 Equipements suppl mentaires recommand s 1 Teslam tre 51662 1 Sonde B axiale 51661 1 C ble de connexion 6 p les 1 5 m 50116 Remarques de s curit Attention Pour l acc l ration des lectrons le tube faisceau filiforme a besoin de tensions dangereuses en cas de contact fortuit allant jusqu 300 V D autres ten sions reli es cette tension dangereuse en cas de contact fortuits ont galement dangereuses Des tensions pr sen tant un danger d lectrocution sont par cons quent appli qu es la zone de connexion du support et aux bobines de Helmholtz lors du fonctio
3. B k l VII Si l on recherche en fonction de la tension d acc l ration U le courant de bobine I dans le champ magn tique duquel la course circulaire des lectrons pr sente une valeur de rayon r constante on peut alors transformer les quations VI et VII de la mani re suivante e 1 u jeep VIII e Le facteur de proportionnalit 3 4 n nf 1x uo 4m 107 2 constante magn tique de champ peut tre calcul soit partir du rayon de bobine R 150 mm et du nombre de tours n 130 par bobine soit d termin par l enregistrement d une courbe de calibrage B f l Ainsi toutes les valeurs d terminantes de la charge sp cifique de l lectron sont connues Montage Remarques Effectuez les mesures dans un local plong dans l obscurit Ne chargez que bri vement les bobines de Helmholtz au del de 2A Le module d exp rience pour d terminer la charge sp cifique de l lectron est pr sent par l illustration 2 et son c blage lectrique l illustration 3 Mettre hors tension les blocs d alimentation r seau et tourner tous les potentiom tres vers la gauche jusqu la but e Raccorder l entr e 6 3 V du tube faisceau lectronique filiforme la sortie 6 3 V du bloc d alimentation r seau du tube Ponter le p le Plus de la sortie 50 V du bloc d alimentation r seau du tube au p le Moins de la sortie 500 V et les raccorder avec la douille du tube faisceau lectroni
4. e le long de l ar te de coulisseau recouvrant le reflet Cf fig 4 R duire la tension d acc l ration U par paliers de 10 V jusqu atteindre 200 V et choisir chaque fois le courant de bobine de telle sorte que la course circulaire du faisceau d lectrons pr sente un diam tre de 8 cm Noter la tension d acc l ration U et le courant de bobine 1 Fig 4 Mesure du diam tre de faisceau avec le dispositif de mesure P6 1 3 1 Calibrage du champ magn tique des bobines de Helmholtz en option Le montage permettant le calibrage du champ magn tique des bobines de Helmholtz est pr sent par l illustration 4 Les quipements accessoires recommand s plus hautsont n ces saires pour la mesure Le cas ch ant mettre tous les blocs d alimentation r seau hors tension Enlever le dispositif de mesure et la bobine de Helmholtz avant du module d connecter le tube faisceau lectro nique filiforme et desserrer les vis des deux triers de fixation respecter dans ce contexte les prescriptions vi s es dans le mode d emploi du tube faisceau lectroni que filiforme Enlever prudemment le tube faisceau lectronique fili forme et le d poser dans son emballage original par exem ple Remonter la bobine de Helmholtz avant et la raccorder de nouveau Raccorder la sonde B axiale au teslam tre plage de me sure 20 MT et configurer le Point z ro consulter le mode d emploi du teslam
5. nnement du tube faisceau lectronique filiforme M Ne c bler la zone de connexion qu avec des c bles de s curit M N intervenir dans le montage exp rimental connexions et modifications que lorsque les alimen tations sont hors service E Ne mettre les alimentations en marche que lorsque le circuit est fini M Ne pas toucher le montage exp rimental et notam ment les bobines de Helmholtz lorsque le dispositif est en service Risque d implosion le tube faisceau lectronique fili forme est un tube de verre sous vide parois minces M Ne jamais soumettre le tube faisceau lectronique filiforme une contrainte m canique M Utiliser le tube faisceau lectronique filiforme unique ment dans le support 555 581 M Enficher prudemment sur le socle le connecteur 6 p les du support M Respecterles prescriptions vis es dans le mode d em ploi du tube faisceau lectronique filiforme LEYBOLD Fiches d exp riences de physique Le tube faisceau lectronique filiforme contient en tat de d pression des mol cules d hydrog ne qui lors des collisions avec les lectrons deviennent lumineuses Le trajet circulaire des lectrons devient de ce faitindirectement visible et le rayon r de leur course peut tre directement mesur par une chelle gradu e Le champ magn tique B est g n r par une paire de bobines de Helmholtz et sera proportionnel au courant passant dans ces bobines
6. our d autres exploitations on a alors besoin du facteur de proportionnalit k Fig 6 Repr sentation des r sultats de mesure du tableau 1 LEYBOLD Fiches d exp riences de physique D termination du facteur de proportionnalit k partir du calibrage du champ magn tique des bobines de Helmholtz Gr ce l adaptation d une droite d origine aux valeurs de mesure du tableau 2 ou de l illustration 7 on obtient alors k 0 67 mT A 1 et ainsi 1 8 1011 AS e kg Calcul du facteur de proportionnalit k En utilisant IX on calcule alors k 0 78 mT A 1 et ainsi Larap kg e Valeur litt raire V6 10e Me kg P6 1 3 1 Fig 7 Courbe de calibrage du champ magn tique des bobines de Helmholtz LEYBOLD DIDACTIC GMBH Leyboldstrasse 1 D 50354 H rth Phone 02233 604 0 Telefax 02233 604 222 Telex 17 223 332 LHPCGN D by Leybold Didactic GmbH Printed in the Federal Republic of Germany Technical alterations reserved
7. que filiforme cathode Relierla douille du tube faisceau lectronique filiforme anode avec le p le Plus de la sortie 500 V et la douille W cylindre de Wehnelt avec le p le Moins de la sortie 50 V Pour mesurer la tension d acc l ration U relier le voltm tre plage de mesure 300 V la sortie 500 V Poser les plaques d flectrices du tube faisceau lectro nique filiforme sur le potentiel de l anode Connecter en s rie le bloc d alimentation r seau DC et l amp rem tre plage de mesure 3 A avec les bobines de Helmholtz Fig 2 Fig 3 LEYBOLD Fiches d exp riences de physique a b gt c 2 C X EN n Y a Module d exp rience pour d terminer la charge sp cifique de l lectron a Bobines de Helmholtz b Tube faisceau lectronique filiforme c Dispositif de mesure C blage lectrique Mettre en tension le bloc d alimentation r seau des tubes et r gler la tension d acc l ration U 300 V L mission des lectrons lumineux d bute apr s une p riode de chauffage de quelques minutes Optimiser la focalisation du faisceau d lectrons en modi fiant la tension sur le cylindre de Wehnelt entre 0 et 10 V jusqu l apparition d un faisceau mince aux limites tr s pr cises sans bordure diffuse Mettre sous tension le bloc d alimentation r seau DC des bobine
8. s de Helmholtz etrechercherle couranti pour lequel le faisceau d lectrons sera d vi en une course circulaire ferm e Si le faisceau d lectrons est d vi dans la mauvaise direction gauche apr s sa sortie de l anode Mettre les deux blocs d alimentation r seau hors tension Interchanger les raccords du bloc d alimentation r seau pour l inversion de polarit du champ magn tique Si les lectrons ne suivent pas une course circulaire ferm e mais une course h lico dale Desserrer les vis des deux triers de fixation respecter dans ce contexte les prescriptions vis es dans le mode d emploi du tube faisceau lectronique filiforme Tourner prudemment le tube faisceau lectronique fili forme autour de son axe longitudinal jusqu ce que le faisceau d lectrons suivent une course circulaire ferm e Resserrer les vis de fixation P6 1 3 1 R alisation D placer le coulisseau gauche du dispositif de mesure de sorte que l ar te int rieure le reflet et l ouverture de sortie du faisceau d lectrons se trouvent dans le m me aligne ment R gler le coulisseau droit de telle sorte que les deux ar tes int rieures pr sentent un cart de 8 cm Viser l ar te int rieure du coulisseau droit et la faire co nci der avec sonrefletet modifier le courant de bobine jusqu ce que le faisceau d lectrons passe de mani re tangen tiell
9. tre Placer la sonde B axiale de mani re parall le au champ magn tique des bobines de Helmholtz et au centre de la paire de bobines Augmenter le courant de bobine I de 0 3 A par paliers de 0 5 mesurer le champ magn tique B et noter les valeurs relev es Une fois le calibrage termin Remonter le tube faisceau lectronique filiforme confor m ment au mode d emploi Exemple de mesure Tab 1 courant de bobine I pour une tension d acc l ration U et un rayon de course circulaire constant r 0 04 m u A V A 300 2 15 290 2 10 280 2 07 270 2 03 260 2 00 250 1 97 240 1 91 230 1 88 220 1 83 210 1 79 200 1 75 Tab 2 Champ magn tique B des bobines de Helmholtz pour un courant de bobines I la mesure n cessite les quipements suppl mentaire recommand s plus haut 1 B A mT 0 5 0 35 1 0 0 65 1 5 0 98 2 0 1 34 2 5 1 62 3 0 2 05 LEYBOLD Fiches d exp riences de physique Fig 5 Montage pour le calibrage du champ magn tique des bo bines de Helmholtz Exploitation et r sultat L illustration 6 pr sente les valeurs de mesure du tableau 1 sous la forme lin aris e conform ment VIII U f 12 L augmentation des droites d origine dessin e est de a 65 3 V A 2 A partir de VIII on obtient pour la charge sp cifique des lectrons e 2 a Me r2 i k2 P
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