ELEKTRONY V MAGNETICKÉM POLI
Jak se chovají elektrony v magnetickém poli?
Pomůcky: Wehneltova trubice, zdroj stejnosměrného a střídavého napětí, magnet
Wehneltova trubice je zařízení, které umožňuje sledovat pohyb volných elektronů v homogenním magnetickém poli. Do skleněné baňky naplněné vodíkem o nízkém tlaku (přibližně 1 Pa) je zataven zdroj elektronů. Celá trubice je v homogenním magnetickém poli, které vytváří dvojice cívek o velkém poloměru (Helmholtzovy cívky).
Cívky jsou napájeny z akumulátoru, tj. stejnosměrným napětím (cca 6 V).
Proud elektronů je získán termoemisí ze žhavené katody (katoda je žhavena střídavým proudem), prochází mezi destičkami s napětím (200V), v jejichž elektrickém poli je fokusován do úzkého svazku (paprsku) a současně dojde i ke značnému urychlení elektronového svazku.
Soustava žhavené katody a elektrod tvoří elektronové dělo, kterým je vstřelován svazek elektronů do skleněné baňky.
Stopu elektronů vidíme, neboť atomy plynu v baňce vyzařují světlo, kdykoli se s nimi některý z letících elektronů srazí.
1. video ukázka:
Při vypnutém napájení cívek (tj. bez magnetického pole) se svazek elektronů pohybuje přímočaře. Nakláněním zdroje elektronů získáváme různý směr chodu paprsku.
2. video ukázka:
Paprsek míří svisle nahoru. Když zapneme napájení cívek, utvoří se v prostoru mezi nimi (tj. i v baňce) homogenní magnetické pole a proud elektronů se zakřiví, elektrony se pohybují po kružnici ve svislé rovině.
Když demonstrátor otáčí zdrojem paprsku elektronů, tj. mění směr rychlosti vylétávajících elektronů, elektrony se pohybují po spirále s osou mířící kolmo k rovině obrazu (od nás). Poloměr spirály se mění s natáčením elektronového děla. Když vylétávající elektrony míří směrem dozadu nebo dopředu (k nám/od nás), ze spirály se stává úsečka.
3. video ukázka:
Helmholtzovými cívkami neprochází proud (cívky nevytváří magnetické pole).
Pomocí tyčového magnetu je ukázáno zakřivování trajektorie elektronů v nehomogenním magnetickém poli.
Proč se elektrony pohybují po kružnici?
Na elektrony působí magnetická síla a vychyluje je.
Na čem závisí velikost a směr magnetické síly působící na částici s nábojem?
Směr magnetické síly v každém okamžiku můžeme určit pomocí Flemingova pravidla levé ruky přeformulovaného pro částice s nábojem:
Položíme-li otevřenou levou ruku ve směru rychlosti kladně nabitých částic tak, aby indukční čáry magnetického pole vstupovaly do dlaně, ukazuje odtažený palec směr síly, kterou působí magnetické pole na částice.
Jaký směr mají magnetické indukční čáry magnetického pole cívek vzhledem ke směru elektronového paprsku?
Pomocí Flemingova pravidla určete směr síly v několika bodech kružnice. Nezapomeňte, že elektrony jsou záporně nabité částice, tedy prsty musíme natočit v opačném směru než je směr okamžitého pohybu elektronů.
Magnetická síla je silou dostředivou.
(Elektrony se pohybují rovnoměrným pohybem po kružnici.)
Z rovnosti vztahu pro velikost magnetické síly a vztahu pro velikost dostředivé síly můžete zjistit, zda se budou pohybovat po kružnici s větším poloměrem rychlejší nebo pomalejší elektrony.
Proč se elektrony pohybují po spirále?
Má-li nabitá částice letící v homogenním magnetickém poli
nenulovou složku rychlosti ve směru magnetických indukčních čar (tj. rychlost
svírá se směrem magnetické indukce úhel 
), bude se pohybovat po šroubovici
s osou ve směru pole.
Vektor rychlosti částice rozložme vzhledem ke směru magnetické indukce B do dvou průmětů – rovnoběžného a kolmého.
v½½
= v×cosj, v^ = v×sinj
Rovnoběžná složka určuje stoupání šroubovice ve směru magnetické indukce, což je vzdálenost mezi dvěma sousedními závity.
Kolmá složka rychlosti určuje poloměr šroubovice.
Poznámka:
Působení magnetického pole na elektrony se užívá k vychylování elektronového paprsku v televizní obrazovce. Elektrickým proudem ve vychylovacích cívkách se řídí pohyb stopy elektronového paprsku na stínítku obrazovky. Stínítko je pokryto luminoforem, což je látka, která v místě dopadu elektronového paprsku září ve viditelném oboru vlnových délek s krátkou dobou dosvitu.