3B Scientific Fine Beam Tube T User Manual [en, de, it, es]

3B SCIENTIFIC

Bedienungsanleitung

07/10 ALF

®

PHYSICS

Fadenstrahlröhre U8481430

1 Fadenstrahlröhre
2 Anschlusssockel
3 Anschluss für Anode
4 Anschluss für Katode
5 Anschluss für Wehnelt-Zylinder
6 Anschluss für Heizung

1. Sicherheitshinweise

Glühkatodenröhren sind dünnwandige, evakuierte
Glaskolben. Vorsichtig behandeln: Implosionsgefahr!

• Röhre keinen mechanischen Belastungen aus-setzen.

Zu hohe Spannungen, Ströme sowie falsche Kato­denheiztemperatur können zur Zerstörung der Röhre
führen.

• Die angegebenen Betriebsparameter einhalten.

Beim Betrieb der Röhre können am Anschlussfeld
berührungsgefährliche Spannungen und Hoch­spannungen anliegen.

• Für Anschlüsse nur Sicherheits-Experimentier-

kabel verwenden.

• Schaltungen nur bei ausgeschaltetem Versor-

gungsgerät vornehmen.

• Röhre nur bei ausgeschaltetem Versorgungsgerät

ein- und ausbauen.

Im Betrieb erwärmt sich der Röhrenhals.

• Röhre vor dem Wegräumen abkühlen lassen.

Die Einhaltung der EC Richtlinie zur elektromagneti­schen Verträglichkeit ist nur mit den empfohlenen
Netzgeräten garantiert.

2. Beschreibung

Die Fadenstrahlröhre dient zur Untersuchung der Ab­lenkung von Elektrodenstrahlen im homogenen Mag­netfeld unter Verwendung des Helmholtzspulenpaars
U8481500 sowie zur quantitativen Bestimmung der
spezifischen Ladung des Elektrons e/m.

In einem Glaskolben befindet sich die Elektronenka­none, bestehend aus einer indirekt geheizten Oxidka­tode, einem Wehneltzylinder und einer Lochanode in
einer Neonrestgas-Atmosphäre mit präzise eingestell­tem Gasdruck. Die Gasatome werden längs der Elekt-

1

ronenflugbahn ionisiert und es entsteht ein leuchten-

r

r

⋅

⋅

=

der, scharf begrenzter Strahl. Eingebaute Messmarken
erlauben die parallaxenfreie Bestimmung des Kreis­bahndurchmessers des im Magnetfeld abgelenkten
Strahls.

Die Fadenstrahlröhre ist auf einem Sockel mit farbigen
Anschlussbuchsen montiert. Zum Schutz der Röhre ist
im Sockel eine Schutzschaltung installiert, die die
Spannung oberhalb der auf dem Röhrensockel ange­gebenen „Cutoff-Voltage“ (Abschaltspannung) abschal­tet. Die Schutzschaltung verhindert, dass eine zu hohe
Spannung die Heizung zerstört und sorgt dafür, dass
beim Einschalten die Spannung „weich“ hochfährt.

3. Technische Daten

Gasfüllung: Neon
Gasdruck: 1,3 x 10

-5

bar

Heizspannung: 4 bis 12 V DC (siehe Angabe

„Cutoff-Voltage“ auf dem Röh-

rensockel)
Heizstrom: 300 bis 450 mA
Wehneltspannung: 0 bis -50 V
Anodenspannung: 200 bis 300 V
Anodenstrom: < 0,3 mA
Fadenstrahlkreis: 20 bis 120 mm Ø
Messmarkenabstand: 20 mm
Kolbendurchmesser: 160 mm
Gesamthöhe: 260 mm
Anschlusssockel: 115 x 115 x 35 mm

3

Masse: ca. 820 g

4. Allgemeine Grundlagen

Auf ein Elektron, das sich mit der Geschwindigkeit v
senkrecht zu einem homogenen Magnetfeld B bewegt,
wirkt senkrecht zur Geschwindigkeit und zum Magnet­feld die Lorentz-Kraft

BveF ⋅⋅= (1)

e: Elementarladung

Sie zwingt das Elektron als Zentripetalkraft

2

vm

⋅

F

=

(2)

m: Elektronenmasse

auf eine Kreisbahn mit dem Radius r. Daher ist

vmBe⋅

=⋅

(3)

Die Geschwindigkeit v hängt von der Beschleunigungs­spannung U der Elektronenkanone ab:

e

v ⋅⋅= 2 (4)

U

m

Für die spezifische Ladung des Elektrons gilt somit:

2

e

m

U

= (5)

2

()

Br

⋅

Misst man für verschiedene Beschleunigungsspannun­gen U und verschiedene Magnetfelder B jeweils den
Kreisbahnradius r, so liegen die Messwerte in einem

2B2

r

-2U-Diagramm gemäß Gl. (5) auf einer Ursprungsge-

raden mit der Steigung e/m.
Das Magnetfeld B wird in einem Helmholtz-Spulenpaar

erzeugt und ist proportional zum Strom I

durch eine

H

einzelne Spule. Der Proportionalitätsfaktor k kann aus
dem Spulenradius R = 147,5 mm und der Windungs­zahl N = 124 je Spule berechnet werden:

3

IkB

H

mit

2

4

⎞

⎛

k =⋅⋅π⋅

=

⎟

⎜

5

⎠

⎝

−

104

N

Vs

7

R

Am

mT

,

7560

A

Damit sind sämtliche Bestimmungsgrößen für die
spezifische Elektronenladung bekannt.

5. Zusätzlich erforderliche Geräte

1 DC-Netzgerät 300 V (230 V, 50/60 Hz) U8521371-230
oder
1 DC-Netzgerät 300 V (115 V, 50/60 Hz) U8521371-115

und
1 DC-Netzgerät 20 V, 5 A (230 V, 50/60 Hz) U33020-230

oder
1 DC-Netzgerät 20 V, 5 A (115 V, 50/60 Hz) U33000-115

oder
1 DC-Netzgerät 500 V (230 V, 50/60 Hz) U33000-230

oder
1 DC-Netzgerät 500 V (115 V, 50/60 Hz) U33000-115

1 Helmholtz-Spulenpaar U8481500
1 bzw. 2 Analog-Multimeter AM50 U17450
Sicherheits-Experimentierkabel

6. Bedienung

6.1 Aufbau

• Fadenstrahlröhre zwischen die Helmholtzspulen

stellen.

• Um den Elektronenstrahl besser beobachten zu

können, das Experiment in einem abgedunkelten
Raum durchgeführen.

6.1.1 Betrieb mit dem DC-Netzgerät 300 V U8521371

• Beschaltung gemäß Fig. 1 durchführen.

• Volmeter an den 300-V-Ausgang des Netzgerätes

anschließen.

2

• Spulen gemäß Fig. 2 in Reihe an das DC-Netzgerät

20 V U33020 anschließen, so dass beide Spulen
gleichsinnig vom Strom durchflossen werden.

6.1.2 Betrieb mit dem DC-Netzgerät 500 V U33000

• Beschaltung gemäß Fig. 4 durchführen.

6.2 Justierung des Elektronenbündels

• Heizspannung von z.B. 7,5 V anlegen. (Die Heiz-

spannung muss unter der „Cutoff-Voltage“ liegen.)

• Ca. 1 Minute abwarten bis sich die Temperatur der

Heizwendel stabilisiert hat.

• Anodenspannung langsam bis auf max. 300 V

erhöhen (der zunächst waagerechte Elektronen­strahl wird durch ein schwaches, bläuliches Licht
sichtbar).

• Wehnelt-Spannung so wählen, dass ein möglichst

dünnes, scharf begrenztes Strahlenbündel zu se­hen ist.

• Schärfe und Helligkeit des Strahlenbündels durch

Variation der Heizspannung optimieren.

• Spulenstrom I

durch die Helmholtz-Spulen erhö-

H

hen und überprüfen, ob der Elektronenstrahl nach
oben gekrümmt wird.

Falls keine Krümmung des Elektronenstrahls zu beo­bachten ist:

• Eine der Spulen umpolen, so dass der Strom

gleichsinnig durch beide Spulen fließt.

Falls die Krümmung des Elektronenstrahls nicht nach
oben zeigt:

• Zum Umpolen des Magnetfeldes die Anschlusska-

bel am Netzgerät vertauschen.

• Spulenstrom weiter erhöhen und überprüfen, ob

der Elektronenstrahl eine in sich geschlossene
Kreisbahn bildet.

Falls die Kreisbahn nicht geschlossen ist:

• Fadenstrahlrohr samt Sockel etwas um die vertika-

le Achse drehen.

7. Versuchsbeispiel

Bestimmung der spezifischen Ladung des Elektrons
e/m

• Spulenstrom so wählen, dass der Kreisbahnradius

z. B. 5 cm beträgt. Eingestellten Wert notieren.

• Anodenspannung in 20-V-Schritten auf 200 V ver-

kleinern, jeweils den Spulenstrom I

so wählen,

H

dass der Radius konstant bleibt. Diese Werte notie­ren.

• Weitere Messreihen für die Kreisbahnradien 4 cm

und 3 cm aufnehmen.

• Zur weiteren Auswertung die Messwerte in einem

2B2

r

-2U-Diagramm auftragen (siehe Fig. 3).

Die Steigung der Ursprungsgeraden entspricht e/m.

U8521371

0...300 V 6...12 V0...-50 V

ı

O

Off

On

PE

Fig. 1 Anschluss der Fadenstrahlröhre an das DC-Netzgerät 300 V U8521371

3

Fig. 2 Beschaltung der Helmholtz-Spulen

2 / V

U

600

400

200

0

100

Fig. 3 r2B2-2U-Diagramm der Messwerte (schwarz: r = 5 cm, rot: r = 4 cm, grün: r = 3 cm)

20 30 40

22 2 2

Br

/ mT cm

4

A

U33000

0...500 V 0...50 V 0...8 V 0...12 V

+

-

+

-

Fig. 4 Anschluss der Fadenstrahlröhre an das DC-Netzgerät 500 V U33000

-

+

-

+

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3B Scientific GmbH • Rudorffweg 8 • 21031 Hamburg • Deutschland • www.3bscientific.com

Technische Änderungen vorbehalten

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3B SCIENTIFIC

Instruction sheet

07/10 ALF

®

PHYSICS

Fine Beam Tube U8481430

1 Fine beam tube
2 Connector base
3 Connection for anode
4 Connection for cathode
5 Connection for Wehnelt cylinder
6 Connection for heater

1. Safety instructions

Hot cathode tubes are thin-walled, highly evacuated
glass tubes. Treat them carefully as there is a risk of
implosion.

• Do not subject the tube to mechanical stresses.

If voltage or current is too high or the cathode is at the
wrong temperature, it can lead to the tube becoming
destroyed.

• Do not exceed the stated operating parameters.

When the tube is in operation, the terminals of the
tube may be at high voltages with which it is danger­ous to come into contact.

• Only use safety experiment leads for connecting

circuits.

• Only change circuits with power supply switched

off.

• Set up or dismantle the tubes only when the power

supply unit is switched off.

When the tube is in operation, the stock of the tube
may get hot.

• Allow the tube to cool before putting away the

apparatus.

The compliance with the EC directive on electromag­netic compatibility is only guaranteed when using the
recommended power supplies.

2. Description

The Fine Beam Tube is used for investigating the de­flection of cathode rays in a uniform magnetic field
produced by a pair of Helmholtz coils (U8481500). In
addition, it can also be used for quantitative determi­nation of the specific charge of an electron e/m.

1

Located inside a glass bulb with a neon residual gas atmos-

r

⋅

⋅

=

phere is an electron gun, which consists of an indirectly
heated oxide cathode, a Wehnelt cylinder and a perforated
anode. The gas atoms are ionised along the path of the
electrons and a narrow, well-defined, luminescent beam is
produced. Incorporated measurement marks facilitate a
parallax-free determination of the diameter of the circular
path of the beam deflected in the magnetic field.

The Fine Beam Tube is mounted on a base with col­oured connectors. In order to protect the tube, a pro­tective circuit is built into the base, which shuts off any
voltage in excess of the base’s pre-set cut-off voltage.
The protective circuit prevents excessive voltages from
damaging the heater filament and ensures a “smooth”
switch-on response once the voltage is applied.

3. Technical data

Gas filling: Neon
Gas pressure: 1,3 x 10

-5

bar

Filament voltage: 4 to 12 V DC (see cut-off-

voltage on tube socket)
Filament current: 300 to 450 mA
Wehnelt voltage: 0 bis -50 V
Anode voltage: 200 to 300 V
Anode current: < 0.3 mA
Diameter of fine beam path: 20 to 120 mm
Division spacing: 20 mm
Tube diameter: 160 mm
Total height incl. base: 260 mm
Base plate: 115 x 115 x 35 mm

3

Weight: approx. 820 g

4. Basic principles

An electron moving with velocity v in a direction per-
pendicular to a uniform magnetic field B experiences a
Lorentz force in a direction perpendicular to both the
velocity and the magnetic field

BveF ⋅⋅= (1)

e: elementary charge

This gives rise to a centripetal force on the electron in
a circular path with radius r, where

2

vm

⋅

F

=

and (2)

m is the mass of an electron.

Thus,

vmBe⋅

(3)

=⋅

r

The velocity v depends on the accelerating voltage of
the electron gun:

e

v ⋅⋅= 2 (4)

U

m

Therefore, the specific charge of an electron is given
by:

e

m

U

2

= (5)

2

()

Br

⋅

If we measure the radius of the circular orbit in each
case for different accelerating voltages U and different
magnetic fields B, then, according to equation 5, the
measured values can be plotted in a graph of r

2B2

against 2U as a straight line through the origin with
slope e/m.

The magnetic field B generated in a pair of Helmholtz
coils is proportional to the current I

passing through a

H

single coil. The constant of proportionality k can be
determined from the coil radius R = 147.5 mm and the
number of turns N = 124 per coil:

IkB

where

H

3
2

4

⎞

⎛

k =⋅⋅π⋅

=

⎟

⎜

5

⎠

⎝

Vs

N

7

−

104

Am

R

mT

,

7560

A

Thus, all parameters for the specific charge are known.

5. Additionally required equipment

1 DC power supply 300 V (230 V, 50/60 Hz) U8521371-230
or
1 DC power supply 300 V (115 V, 50/60 Hz) U8521371-115
and
1 DC power supply 20 V, 5 A (230 V, 50/60 Hz) U33020-230
or
1 DC power supply 20 V, 5 A (115 V, 50/60 Hz) U33000-115

or
1 DC power supply 500 V (230 V, 50/60 Hz) U33000-230

or
1 DC power supply 500 V (115 V, 50/60 Hz) U33000-115

1 Pair of Helmholtz coils U8481500
1 resp. 2 Analogue multimeter AM50 U17450
Safety leads

6. Operation

6.1 Set up

• Place the fine beam tube between the Helmholtz

coils.

• To get a clearer view of the electron beam, con-

duct the experiment in a darkened room.

6.1.1 Set up with the DC power supply unit 300 V
U8521371

• Set up the tube as in fig. 1.

2

• Connect the voltmeter in parallel to the 300-V

output.

• Connect the coils in series to the DC power supply

20 V U33020, as shown in Fig. 2, so that equal cur­rent passes through both coils.

6.1.2 Set up with the DC power supply unit 500 V
U33000

• Set up the tube as in fig. 4.

6.2 Adjusting the electron beam

• Apply a heater voltage of say 7.5 V. (the heater

voltage must be below the cut-off voltage).

• Wait about 1 minute for the heater temperature to

stabilise.

• Slowly increase the anode voltage to 300 V (the

electron beam is initially horizontal and is visible
as a weak, bluish ray).

• Select the Wehnelt voltage so that a very clear and

narrow electron beam is visible.

• Optimise the focus and brightness of the electron

beam by varying the heater voltage.

• Increase the current I

passing through the Helm-

H

holtz coils and check that the electron beam
curves upwards.

• If the electron beam is not deflected at all:

• Reverse the polarity of one of the coils so that

current passes in the same direction through both
coils.

If the electron beam does not curve upwards:

• Swap the connections on the power supply unit to

reverse the polarity of the magnetic field.

• Continue increasing the current passing through

the coils watch until the electron beam forms a
closed circle.

If the path does not form a closed circle:

• Slightly turn the fine beam tube, along with its

base, around its vertical axis.

7. Sample experiment

Determination of the specific charge of an electron

e/m

• Select the current passing through the coils so that

the radius of the circular path is for example 5 cm.
Note the set current value.

• Decrease the anode voltage in steps of 20 V to

200 V. In each case, set the coil current I

so that the

H

radius remains constant. Take down these values.

• Record other series of measured values for radii of

4 cm and 3 cm.

U8521371

0...300 V 6...12 V0...-50 V

ı

O

Off

On

• For further evaluation, plot the measured values in

a graph of r

2B2

against 2U (see Fig. 3).

The slope of the line through the origin corresponds to e/m.

PE

Fig. 1 Electrical connections from the fine beam tube to the DC power supply unit 300 V U8521371

3

Fig. 2 Electrical connections to the pair of Helmholtz coils

2 / V

U

600

400

200

0

100

Fig. 3 Graph of r2B2 against 2U for values as measured (black: r = 5 cm, red: r = 4 cm, green: r = 3 cm)

20 30 40

22 2 2

Br

/ mT cm

4

A

U33000

0...500 V 0...50 V 0...8 V 0...12 V

+

-

-

Fig. 4 Electrical connections from the fine beam tube to the DC power supply 500 V U33000

+

-

+

-

+

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