Elektron (elementarna čestica). Određivanje specifičnog naboja elektrona Moderna vrijednost modula naelektrisanja elektrona je

Cilj rada: odrediti specifični naboj elektrona kretanjem elektrona u diodi smještenoj u magnetskom polju.

Oprema: ploča sa diodom i zavojnicom, napajanje, voltmetar, miliampermetar, ampermetar.

TEORIJSKI UVOD

Specifični naboj je karakteristika elementarnih čestica, jednak omjeru naboja i mase. U nekim eksperimentima, mjerenje i naboja i mase u isto vrijeme je nemoguće, ali je moguće odrediti specifičan naboj, čija vrijednost vam omogućava da identificirate česticu. Specifični naboj elektrona može se odrediti, na primjer, metodom cilindričnog magnetrona.

Magnetron je elektronska cijev u kojoj je kretanje elektrona kontrolirano magnetskim poljem. Magnetroni se koriste u radiotehnici za generiranje ultravisokih frekvencijskih oscilacija. U radu se kao magnetron koristi elektronska cijev - 1Ts 11P dioda, koja se postavlja u magnetsko polje zavojnice sa strujom.

Elektroni koje emituje zagrijana katoda zbog fenomena termoionske emisije kreću se prema anodi pod utjecajem električnog polja. Jačina električnog polja je maksimalna na katodi, au ostatku prostora električno polje je slabo. Stoga se elektroni ubrzavaju u blizini katode, a zatim se kreću gotovo konstantnom brzinom u radijalnom smjeru prema anodi. Brzina elektrona V može se odrediti zakonom održanja energije. Potencijalna energija elektrona u električnom polju pri kretanju od katode do anode pretvara se u kinetičku energiju:

Gdje e,m – naboj i masa elektrona; U– razlika potencijala između katode i anode diode.

Ako uključite magnetno polje , usmjerena paralelno s osi diode, što znači okomito na vektor brzine, tada Lorentzova sila počinje djelovati na elektrone

, (2)

Gdje B– indukcija magnetnog polja.

Smjer sile može se odrediti pravilom lijeve ruke: ako se četiri prsta ispruže na brzinu, a linije sile uđu u dlan, tada će savijeni palac pokazati smjer sile za pozitivno naelektrisanje. Za negativan elektron je obrnuto. Lorentzova sila je okomita na vektor brzine, dakle, centripetalna sila. Dakle, putanja elektrona je luk kružnice. Prema drugom Newtonovom zakonu, proizvod mase elektrona i centripetalnog ubrzanja jednak je Lorencovoj sili:
Stoga je polumjer zakrivljenosti putanje jednak

. (3)

Kao što se može vidjeti, sa povećanjem indukcije magnetskog polja, radijus zakrivljenosti luka opada (slika 1). Pri određenoj vrijednosti indukcije magnetskog polja, koja se naziva kritična IN cr, orbita elektrona se pretvara u krug koji dodiruje anodu. Kritični radijus orbite jednak je polovini poluprečnika anode R= r/ 2. Ako se magnetsko polje dodatno poveća, radijus orbite će se dodatno smanjiti, a putanje elektrona neće dodirivati ​​anodu. Elektroni više neće stizati do anode, a struja anode će pasti na nulu.

U stvari, brzine elektrona su donekle različite zbog njihove međusobne interakcije; ne kreću se svi elektroni okomito na katodu. Stoga će opadanje anodne struje biti postupno: prvo spori elektroni ne stignu do anode, a zatim oni brži. Srednja kvadratna brzina dobijena iz jednačine (1) odgovara dijelu najstrmijeg pada na grafikonu (slika 2).

Rješavanje jednadžbi (1) i (3) zajedno, uzimajući u obzir R= r/ 2, dobijamo formulu za izračunavanje specifičnog naboja elektrona

. (4)

Indukcija magnetnog polja u centru zavojnice može se izračunati pomoću formule

, (5)

G de = 4∙10 -7 G/m – magnetna konstanta; N– broj zavoja kalema; J cr– jačina kritične struje; l – dužina namotaja; β – ugao između smjera prema vanjskim zavojima od središta zavojnice i njegove ose.

Eksperimentalno mjerenje specifičnog naboja elektrona provodi se u laboratorijskoj postavci. Sastoji se od 1) modula sa elektronskom cijevi smještenom unutar zavojnice; 2) napajanje sa ampermetrom za merenje struje u kalemu i voltmetrom, 3) miliampermetrom za merenje anodne struje (sl. 3). Modul i napajanje su povezani kablom.

ZAVRŠETAK RADOVA

1. Postavite granice mjerenja miliampermetra na 20 mA. Provjerite njegovu povezanost s modulom na “PA” utičnice. Indikator bi trebao pokazati nulu.

2. Priključite napajanje na mrežu od 220 V. Koristeći varijabilne otpornike, postavite anodni napon u rasponu od 12–120 V, minimalnu struju kroz zavojnicu (0,5 A). Nakon zagrijavanja katode, u anodnom krugu bi se trebala pojaviti struja, zabilježena miliampermetrom.

Ponovite mjerenja anodne struje, mijenjajući struju kroz zavojnicu u rasponu od 0,5 A do 1,5 A svakih 0,1 A (jedna podjela skale ampermetra). Zapišite rezultate u tabelu. 1.

Tabela 1

3. Upiši u tabelu. 2 instalacijska parametra i anodni napon. Isključite miliampermetar i napajanje.

tabela 2

4. Nacrtajte grafik zavisnosti jačine anodne struje J en na struju u zavojnici J mačka . Veličina grafikona je najmanje pola stranice. Označite ujednačenu skalu na osovinama. Nacrtajte glatku krivu oko tačaka tako da odstupanja tačaka budu minimalna.

5. Odredite iz grafikona prosječnu vrijednost kritične struje u zavojnici J cr kao apscisa sredine odseka najstrmijeg pada anodne struje (sl. 2). Zapišite u tabelu. 2.

7. Procijenite sistematsku grešku u mjerenju specifičnog naboja koristeći formulu

, (6)

pod pretpostavkom da je greška uglavnom zbog nepreciznosti u određivanju kritične struje. Prihvati 2  J cr jednaka širini dionice strmog pada (slika 2).

9. Izvucite zaključke. Zabilježite rezultat
. Uporedite sa tabelom vrednost specifičnog naelektrisanja elektrona
Kl/kg.

KONTROLNA PITANJA

1. Definirajte specifični naboj čestice. Koja čestica ima najveći specifični naboj?

2. Zapišite formulu za Lorentzovu silu. Kako odrediti smjer Lorentzove sile? Objasnite primjerima.

3. Zapišite jednadžbu za drugi Newtonov zakon za kretanje elektrona u poprečnom magnetskom polju.

4. Objasnite razlog za promjenu putanje elektrona između katode i anode diode kako se indukcija magnetskog polja povećava. Definirajte kritičnu indukciju.

5. Objasniti zavisnost jačine anodne struje sa povećanjem indukcije magnetnog polja. Zašto struja ne opada naglo pri kritičnoj vrijednosti indukcije?

6. Izvedite formulu za izračunavanje specifičnog naboja elektrona na osnovu njegovog kretanja u magnetronu.

Najdirektnije određivanje naboja elektrona izvršeno je u eksperimentima R. Millikana, u kojima su mjereni vrlo mali naboji koji su se pojavili na malim česticama. Ideja ovih eksperimenata bila je sljedeća. Prema osnovnim konceptima elektronske teorije, naboj tijela nastaje kao rezultat promjene broja elektrona sadržanih u njemu (ili pozitivnih jona čiji je naboj jednak ili višestruki naboju elektrona ). Kao rezultat toga, naboj bilo kojeg tijela trebao bi se promijeniti samo naglo i, osim toga, u onim dijelovima koji sadrže cijeli broj naboja elektrona. Stoga, nakon što je eksperimentalno utvrđena diskretna priroda promjene električnog naboja, može se dobiti potvrda postojanja elektrona i odrediti naboj jednog elektrona (elementarni naboj).

Jasno je da u takvim eksperimentima izmjereni naboji moraju biti vrlo mali i sastojati se od samo malog broja naelektrisanja elektrona. U suprotnom, dodavanje ili oduzimanje jednog elektrona će rezultirati samo malim procentom promjene ukupnog naboja i stoga može lako pobjeći posmatraču zbog neizbježnih grešaka u mjerenju naboja.

U eksperimentima je otkriveno da se naboj čestica zapravo mijenja u skokovima, a promjene naboja su uvijek višestruke od određenog konačnog naboja.

Dijagram Millikanovog eksperimenta prikazan je na sl. 249. Glavni dio uređaja je pažljivo izrađen kondenzator s paralelnom pločom, čije su ploče povezane na izvor napona od nekoliko hiljada volti. Napon između ploča može se mijenjati i precizno mjeriti. Male kapljice ulja, dobivene posebnim pištoljem za prskanje, padaju kroz rupu na gornjoj ploči u prostor između ploča. Kretanje pojedine kapljice ulja se posmatra kroz mikroskop. Kondenzator je zatvoren u zaštitno kućište, održava se na konstantnoj temperaturi, štiteći kapljice od konvekcijskih strujanja zraka.

Kapljice ulja se nabijaju kada se raspršuju i stoga na svaku djeluju dvije sile: rezultujuća sila gravitacije i uzgonska (arhimedova) sila i sila uzrokovana električnim poljem.

PROLAZ ELEKTRIČNE STRUJE KROZ METALE

Elektronska provodljivost metali Prolazak struje kroz metale (provodnike prve vrste) ne prati hemijska promena. Ova okolnost sugerira da se atomi metala ne pomiču iz jednog dijela provodnika u drugi kada struja prolazi. Ovu pretpostavku potvrdili su eksperimenti njemačkog fizičara Karla Viktora Eduarda Rikkea (1845 -1915). Rikke je sastavio lanac koji je uključivao tri cilindra čvrsto pritisnuta jedan na drugi na krajevima, od kojih su dva krajnja vanjska bila od bakra, a srednji od aluminija. Kroz ove cilindre je jako dugo (više od godinu dana) provođena električna struja, tako da je ukupna količina struje koja je protekla dostigla ogromnu vrijednost (preko 3.000.000 C). Zatim, izvršivši detaljnu analizu mjesta kontakta između bakra i aluminija, Rikke nije mogao otkriti tragove prodora jednog metala u drugi. Dakle, kada struja prolazi kroz metale, atomi metala se ne kreću zajedno sa strujom.

Kako dolazi do prijenosa naboja kada struja prolazi kroz metal?

Prema konceptima elektronske teorije, koje smo više puta koristili, negativni i pozitivni naboji koji čine svaki atom značajno se razlikuju jedan od drugog. Pozitivni naboj je povezan sa samim atomom i, u normalnim uslovima, neodvojiv je od glavnog dela atoma (njegovog jezgra). Negativni naboji – elektroni, koji imaju određeni naboj i masu, skoro 2000 puta manju od mase najlakšeg atoma – vodika, mogu se relativno lako odvojiti od atoma; atom koji izgubi elektron formira pozitivno nabijeni ion. U metalima uvijek postoji značajan broj “slobodnih” elektrona odvojenih od atoma, koji lutaju po metalu, prelazeći od jednog jona do drugog. Ovi elektroni, pod uticajem električnog polja, lako se kreću kroz metal. Joni čine kostur metala, formirajući njegovu kristalnu rešetku (vidjeti tom I).

Jedan od najuvjerljivijih fenomena koji otkriva razliku između pozitivnih i negativnih električnih naboja u metalu je fotoelektrični efekat spomenut u § 9, koji pokazuje da se elektroni mogu relativno lako istrgnuti iz metala, dok su pozitivni naboji čvrsto vezani za supstance metala. Budući da se kada struja prođe, atomi, a time i pozitivni naboji povezani s njima, ne kreću duž vodiča, slobodne elektrone treba smatrati nosiocima električne energije u metalu. Direktna potvrda ovih ideja bili su važni eksperimenti koji su prvi put izveli 1912. L. I. Mandelstam i N. D. Papaleksi *), ali oni nisu objavljeni. Četiri godine kasnije (1916), R. C. Tolman i T. D. Stewart objavili su rezultate svojih eksperimenata, za koje se pokazalo da su slični eksperimentima Mandelstama i Papaleksija.

Prilikom postavljanja ovih eksperimenata pošli smo od sljedeće misli. Ako u metalu ima slobodnih naboja koji imaju masu, onda oni moraju poštovati zakon inercije (vidjeti tom I). Provodnik koji se brzo kreće, na primjer, s lijeva na desno, skup je atoma metala koji se kreću u ovom smjeru, koji sa sobom nose slobodne naboje. Kada se takav provodnik iznenada zaustavi, atomi uključeni u njegov sastav se zaustavljaju; slobodni naboji, po inerciji, moraju nastaviti da se kreću s lijeva na desno sve dok ih razne prepreke (sudari sa zaustavljenim atomima) ne zaustave. Fenomen koji se javlja je sličan onom što se opaža kada se tramvaj iznenada zaustavi, kada „labavi“ predmeti i ljudi koji nisu vezani za automobil nastave da se kreću naprijed po inerciji neko vrijeme.

Dakle, za kratko vrijeme nakon što se provodnik zaustavi, slobodni naboji u njemu trebaju se kretati u jednom smjeru. Ali kretanje naboja u određenom smjeru je električna struja. Shodno tome, ako je naše razmišljanje ispravno, onda nakon naglog zaustavljanja vodiča treba očekivati ​​pojavu kratkotrajne struje u njemu. Smjer ove struje će nam omogućiti da procijenimo znak onih naboja koji su se kretali po inerciji; ako se pozitivni naboji kreću s lijeva na desno, tada će se naći struja usmjerena s lijeva na desno; ako se negativni naboji kreću u ovom smjeru, tada treba promatrati struju u smjeru s desna na lijevo. Rezultirajuća struja ovisi o nabojima i sposobnosti njihovih nosača da održe svoje kretanje po inerciji duže ili manje dugo, unatoč smetnji, odnosno o njihovoj masi. Dakle, ovaj eksperiment ne samo da omogućava testiranje pretpostavke o postojanju slobodnih naboja u metalu, već i određivanje samih naboja, njihovog predznaka i mase njihovih nosača (tačnije, omjera naboja i mase e/m).

U praktičnoj provedbi eksperimenta pokazalo se da je prikladnije koristiti ne translacijsko, već rotacijsko kretanje vodiča. Dijagram takvog eksperimenta prikazan je na Sl. 141. Na kotur u koji su ugrađene dvije osovinske osovine izolirane jedna od druge 00, ojačana žičana spirala /. Krajevi spirale su zalemljeni na obje polovice ose i pomoću kliznih kontakata 2 („četke“) su pričvršćene na osjetljivi galvanometar 3. Zavojnica je bila postavljena na brzu rotaciju, a zatim je iznenada usporila. Eksperiment je zapravo otkrio da se u ovom slučaju u galvanometru pojavila električna struja. Smjer ove struje pokazao je da se negativni naboji kreću po inerciji. Mjerenjem naboja koji nosi ova kratkotrajna struja, bilo je moguće pronaći omjer slobodnog naboja i mase njegovog nosioca. Pokazalo se da je ovaj odnos jednak e/m=l.8∙10 11 C/kg, što se dobro poklapa sa vrednošću ovog odnosa za elektrone određene drugim metodama. Dakle, eksperimenti pokazuju da metali imaju slobodne elektrone. Ovi eksperimenti su jedna od najvažnijih potvrda elektronske teorije metala. Električna struja u metalima je uređeno kretanje slobodnih elektrona(za razliku od njihovog nasumičnog termičkog kretanja, koje je uvijek prisutno u provodniku).

Struktura metala. I slobodni elektroni koji čine metal i njegovi ioni su u neprekidnom nasumičnom kretanju. Energija ovog pokreta predstavlja unutrašnju energiju tijela. Kretanje jona koji formiraju kristalnu rešetku sastoji se samo od vibracija oko njihovih ravnotežnih položaja. Slobodni elektroni se mogu kretati po cijeloj zapremini metala.

Ako unutar metala nema električnog polja, tada je kretanje elektrona potpuno haotično; u svakom trenutku brzine različitih elektrona su različite i imaju različite smjerove (Sl. 143, A). Elektroni su u tom smislu slični običnom plinu, pa se stoga često nazivaju elektronskim plinom. Takvo termalno kretanje očito neće uzrokovati nikakvu struju, jer će se, zbog potpune slučajnosti, koliko elektrona kretati u svakom smjeru toliko i u suprotnom smjeru, pa će stoga ukupni naboj koji se prenosi kroz bilo koju površinu unutar metala biti nula.

Stvar će se, međutim, promijeniti ako na krajeve vodiča primijenimo razliku potencijala, odnosno stvorimo električno polje unutar metala. Neka je jačina polja jednaka E. Tada na svaki od elektrona djeluje sila eE (e- naelektrisanje elektrona), usmjereno zbog negativnosti naboja elektrona suprotno polju. Zahvaljujući tome, elektroni će dobiti dodatne brzine usmjerene u jednom smjeru (slika 143, b). Sada kretanje elektrona više neće biti potpuno haotično: zajedno sa nasumičnim toplinskim kretanjem, elektronski plin će se kretati kao cjelina, pa će se stoga pojaviti električna struja. Slikovito rečeno, možemo reći da je struja u metalima “elektronski vjetar” uzrokovan vanjskim poljem. Uzrok električnog otpora. Sada možemo razumjeti zašto se metali opiru električnoj struji, odnosno zašto je za održavanje dugotrajne struje potrebno stalno održavati razliku potencijala na krajevima metalnog vodiča. Ako elektroni ne bi imali nikakve smetnje u svom kretanju, onda bi se, dovedeni u uređeno kretanje, kretali po inerciji, bez djelovanja električnog polja, neograničeno vrijeme. Međutim, u stvarnosti, elektroni doživljavaju sudare sa ionima. U tom slučaju će se elektroni, koji su prije sudara imali određenu brzinu uređenog gibanja, nakon sudara odbiti u proizvoljnim, slučajnim smjerovima, a uređeno kretanje elektrona (električna struja) će se pretvoriti u nesređeno (toplotno) kretanje: nakon eliminacije električnog polja, struja će vrlo brzo nestati. Da bi se dobila dugotrajna struja, nakon svakog sudara potrebno je tjerati elektrone iznova i iznova u određenom smjeru, a za to je potrebno da na elektrone cijelo vrijeme djeluje sila, odnosno da postoji je električno polje unutar metala.

Što je veća razlika potencijala koja se održava na krajevima metalnog vodiča, to je jače električno polje unutar njega, to je veća struja u vodiču. Proračun, koji ne predstavljamo, pokazuje da razlika potencijala i jačina struje moraju biti striktno proporcionalne jedna drugoj (Ohmov zakon).

Krećući se pod uticajem električnog polja, elektroni dobijaju određenu kinetičku energiju. Tokom sudara, ova energija se djelimično prenosi na ione rešetke, uzrokujući njihovo intenzivnije termalno kretanje. Tako se u prisustvu struje energija uređenog kretanja elektrona (struja) konstantno transformiše u energiju haotičnog kretanja jona i elektrona, što predstavlja unutrašnju energiju tela; što znači da se unutrašnja energija metala povećava. Ovo objašnjava oslobađanje Joule toplote.

Da sumiramo, možemo to reći Razlog električnog otpora je taj što elektroni, dok se kreću, doživljavaju sudare s ionima metala. Ovi sudari proizvode isti rezultat kao djelovanje neke konstantne sile trenja, koja ima tendenciju usporavanja kretanja elektrona.

Razlika u vodljivosti različitih metala nastaje zbog nekih razlika u broju slobodnih elektrona po jedinici zapremine metala i u uslovima kretanja elektrona, što se svodi na razliku u srednjem slobodnom putu, tj. u prosjeku elektronom između dva sudara sa metalnim jonima. Međutim, ove razlike nisu jako značajne, zbog čega se provodljivost nekih metala razlikuje od provodljivosti drugih samo nekoliko desetina puta; istovremeno, provodljivost čak i najlošijih metalnih provodnika je stotine hiljada puta veća od provodljivosti dobrih elektrolita i milijarde puta veća od provodljivosti poluprovodnika.

Fenomen supravodljivosti znači da su u metalu nastali uslovi pod kojima elektroni ne doživljavaju otpor svom kretanju. Stoga, da bi se održala duga struja u supravodiču, nema potrebe za razlikom potencijala. Dovoljno je pokrenuti elektrone nekakvim pritiskom i tada će struja u supravodniku postojati i nakon što se eliminira razlika potencijala.

Radni učinak. Slobodni elektroni se nalaze unutar metala u kontinuiranom termičkom kretanju. Međutim, uprkos tome, oni se ne odvajaju od metala. To ukazuje da postoje neke sile koje sprečavaju njihov bijeg, tj. da na elektrone koji teže da izađu izvan površine metala djeluje u površinskom sloju električno polje usmjereno od metala prema van (elektroni su negativni). To znači da kada elektron prođe kroz površinski sloj metala, sile koje djeluju na elektron u ovom sloju vrše negativan rad - A(ovdje A>0), te stoga između tačaka unutar metala i izvana postoji neki napon tzv izlazni napon.

Iz navedenog slijedi da je za uklanjanje elektrona iz metala u vakuum potrebno izvršiti pozitivan rad A protiv sila koje djeluju u površinskom sloju, tzv. radna funkcija. Ova vrijednost ovisi o prirodi metala.

Postoji očigledan odnos između radne funkcije i izlaznog potencijala

Gdje e- naboj elektrona (tačnije, apsolutna vrijednost naboja elektrona, jednaka elementarnom naboju). Stoga se radna funkcija obično piše u obliku eq>.

Posao esr protiv sila u površinskom sloju, elektron može djelovati zahvaljujući rezervi kinetičke energije. Ako je kinetička energija manja od radne funkcije, neće moći prodrijeti u površinski sloj i ostat će unutar metala. Dakle, uslov pod kojim se elektron može emitovati iz metala ima oblik

Evo T- masa elektrona, vn je normalna (okomita na površinu) komponenta njegove brzine, eU je radna funkcija.

Na sobnoj temperaturi, prosječna energija toplinskog kretanja elektrona u metalu je nekoliko desetina puta manja od radne funkcije; Stoga se gotovo sve električne struje zadržavaju poljem prisutnim u površinskom sloju unutar metala.

Radna funkcija se obično ne mjeri u džulima, već u elektronvolti(eV). Jedan elektronvolt je rad koji vrše sile polja na naelektrisanju jednakom naelektrisanju elektrona(tj. iznad elementarnog naboja e), kada kroz njega prođe napon od jednog volta:Emisija elektrona od užarenih tijela. Toplotno kretanje elektrona u metalu je nasumično, tako da se brzine pojedinačnih elektrona mogu značajno razlikovati jedna od druge, baš kao što je slučaj sa molekulima gasa. To znači da će unutar metala uvijek postojati određeni broj brzih elektrona koji mogu probiti površinu. Drugim riječima, ako je slika strukture metala koju smo prihvatili tačna, tada bi trebalo da dođe do “isparavanja” elektrona, slično isparavanju tekućina.

Međutim, na sobnoj temperaturi uslov (89.2) je zadovoljen samo za beznačajan udio elektrona u metalu, a isparavanje elektrona je toliko slabo da se ne može detektovati. Stvar će se promijeniti ako se metal zagrije na vrlo visoku temperaturu (1500-2000 °C). U tom slučaju se povećavaju toplinske brzine, povećava se broj emitiranih elektrona, a njihovo isparavanje se može lako eksperimentalno promatrati. Za takav eksperiment može se koristiti lampa L(Sl. 144), koji sadrži, pored filamenta TO(na primjer, volfram) i dodatna elektroda L. Zrak iz lampe se pažljivo ispumpava kako se ne bi zakomplikovala pojava uz sudjelovanje zračnih jona. Lampa je spojena na bateriju £i i galvanometar G tako da je negativni terminal baterije spojen na nit.

Kada je filament hladan, galvanometar ne pokazuje nikakvu struju, jer između katode i anode nema jona ili elektrona koji bi mogli nositi naboj. Međutim, ako se filament zagrijava pomoću pomoćne baterije B 2 i postepeno povećavajte struju filamenta, a onda kada žarna nit postane užarena, u kolu se pojavljuje struja. Ovu struju formiraju elektroni koji isparavaju iz filamenta, koji se pod utjecajem primijenjenog električnog polja udaljavaju od filamenta TO na elektrodu A. Broj elektrona emitovanih sa jedinične površine vruće katode u velikoj meri zavisi od njene temperature i od materijala od kojeg je napravljena (radna funkcija). Zbog toga, uočena struja raste vrlo brzo sa povećanjem temperature filamenta.

Ako spojite polove baterije B 1 tako da je nit spojen na pozitivni pol, tada u strujnom kolu neće biti struje, koliko god grijali nit. To se događa zato što električno polje sada teži pomjeranju elektrona od A do K i stoga vraća isparene elektrone natrag u filament. Ovaj eksperiment također dokazuje da samo negativni elektroni isparavaju iz metala, ali ne i pozitivni ioni, koji su čvrsto vezani u kristalnoj rešetki metala. Opisani fenomen tzv termoionska emisija, pronašao razne i važne primjene.

Ovaj izraz ima druga značenja, pogledajte Elektron (značenja). "Electron 2" "Electron" je serija od četiri sovjetska umjetna satelita Zemlje lansirana 1964. godine. Svrha ... Wikipedia

Elektron- (Novosibirsk, Rusija) Kategorija hotela: hotel sa 3 zvezdice Adresa: 2nd Krasnodonsky Lane ... Katalog hotela

- (simbol e, e), prvi element. h tsa otkriven u fizici; mater. nosilac najmanje mase i najmanje električne snage. naboj u prirodi. E. komponenta atoma; njihov broj u neutralnom. atom je jednak at. broj, odnosno broj protona u jezgru. Naboj (e) i masa...... Fizička enciklopedija

Elektron- (Moskva, Rusija) Kategorija hotela: hotel sa 2 zvezdice Adresa: Andropov Avenue 38 zgrada 2 ... Katalog hotela

Elektron- (e, e) (od grčkog elektron jantar; tvar koja se lako naelektrizira trenjem), stabilna elementarna čestica s negativnim električnim nabojem e=1,6´10 19 C i masom 9´10 28 g. Pripada u klasu leptona. Otkrio engleski fizičar..... Ilustrovani enciklopedijski rječnik

- (e e), stabilna negativno nabijena elementarna čestica sa spinom 1/2, mase cca. 9.10 28 g i magnetni moment jednak Borovom magnetonu; pripada leptonima i učestvuje u elektromagnetnim, slabim i gravitacionim interakcijama....

- (oznaka e), stabilna ELEMENTARNA ČESTICA sa negativnim nabojem i masom mirovanja od 9,1310 31 kg (što je 1/1836 mase PROTONA). Elektrone je 1879. godine otkrio engleski fizičar Joseph Thomson. Kreću se oko JEZGRA,...... Naučno-tehnički enciklopedijski rečnik

Postoji, broj sinonima: 12 delta elektron (1) lepton (7) mineral (5627) ... Rečnik sinonima

Vještački Zemljin satelit stvoren u SSSR-u za proučavanje radijacijskih pojaseva i Zemljinog magnetnog polja. Lansirani su u parovima, jedan duž putanje ispod, a drugi iznad radijacionih pojaseva. 1964. lansirana su 2 para Elektrona... Veliki enciklopedijski rječnik

ELEKTRON, ELEKTRON, muž. (grčki elektron ćilibar). 1. Čestica s najmanjim negativnim električnim nabojem, koja formira atom u kombinaciji s protonom (fizički). Kretanje elektrona stvara električnu struju. 2. samo jedinice. Lagana legura magnezijuma, ... ... Ushakov's Explantatory Dictionary

ELEKTRON, a, m. (specijalni). Elementarna čestica s najmanjim negativnim električnim nabojem. Ozhegov rečnik objašnjenja. S.I. Ozhegov, N.Yu. Shvedova. 1949 1992 … Ozhegov's Explantatory Dictionary

Knjige

• Elektron. Energija prostora, Landau Lev Davidovič, Kitaigorodsky Aleksandar Isaakovič. Knjige dobitnika Nobelove nagrade Leva Landaua i Aleksandra Kitaigorodskog tekstovi su koji preokreću uobičajenu percepciju svijeta oko nas. Većina nas se stalno suočava sa...
• Electron Space Energy, Landau L., Kitaigorodsky A.. Knjige dobitnika Nobelove nagrade Leva Landaua i Aleksandra Kitaigorodskog su tekstovi koji prevrću filistarsku ideju o svijetu oko nas. Većina nas se stalno suočava sa...

Nastavno-metodički priručnik za laboratorijske radove br. 3.10k

u disciplini "fizika"

Vladivostok

MINISTARSTVO PROSVETE I NAUKE

Ruska Federacija

Savezna državna autonomna obrazovna ustanova visokog stručnog obrazovanja

„Dalekoistočni federalni univerzitet (FEFU)

School of Science

Određivanje specifičnog naboja elektrona

Nastavno sredstvo za laboratorijske radove br. 3.10

u disciplini "fizika"

Vladivostok

Dalekoistočni federalni univerzitet

UDK 53.082.1; 531.76

Određivanje specifičnog naboja elektrona: obrazovno-metodički priručnik za laboratorijski rad br. 3.10k iz discipline “Fizika” / Dalekoistočni federalni univerzitet, Fakultet prirodnih nauka / Kom. N.P. Dymchenko, O.V. Plotnikova. – Vladivostok: Dalnevost. federalni univ., 2014. - 13 str.

Priručnik, koji je pripremio Odeljenje za opštu fiziku Fakulteta prirodnih nauka Dalekoistočnog federalnog univerziteta, sadrži kratak teorijski materijal na temu „Kretanje naelektrisanih čestica u električnom i magnetskom polju“ i metodološka uputstva za izvođenje laboratorijskih radova „Određivanje specifičnog naboja elektrona” u disciplini “Fizika”. Priručnik je namijenjen studentima FEFU inženjerske škole.

UDK 53.082.1; 531.76

© Dymchenko N.P., Plotnikova O.V., 2014

© Federalna državna autonomna obrazovna ustanova visokog stručnog obrazovanja "FEFU", 2014

Laboratorijski rad br. 3.10k Određivanje specifičnog naelektrisanja elektrona

Cilj rada: proučavati zakone kretanja nabijenih čestica u električnom i magnetskom polju, odrediti specifični naboj elektrona e /m, koristeći Helmholtz zavojnice.

uređaji: instalacija za demonstriranje Lorentzove sile i određivanje omjera naboja elektrona i njegove mase, pravokutni trokut.

Kratka teorija.

Specifični naboj elektrona e /m je jedna od osnovnih konstanti, kao što je brzina svjetlosti With, Plankova konstanta h, Boltzmannova konstanta k i drugi. Kada se elektron kreće u električnom i magnetskom polju, putanja elektrona određena je konfiguracijom ovih polja i omjerom naboja elektrona i njegove mase.

Ako je pokretna nabijena čestica pod utjecajem jednolikih električnih i magnetskih polja, tada je sila koja djeluje na česticu jednaka:

gdje je brzina čestice, q– njegov električni naboj, - jačina električnog polja, - indukcija magnetnog polja.

Ova sila se zove Lorentzova sila. Iz formule je jasno da je jednak vektorskom zbiru sila koje djeluju iz električnog i magnetskog polja.

Razmotrimo kretanje nabijene čestice konstantne brzine u jednoličnom magnetskom polju, pod uvjetom da ne postoji električno polje. U ovom slučaju na česticu djeluje samo magnetska komponenta Lorentzove sile:

Smjer ove sile ovisi o predznaku naboja i može se odrediti pravilom desnog zavrtnja (pravilo lijeve ruke), sl. 1.

Apsolutna vrijednost Lorentzove sile je:

gdje je α ugao između vektora brzine čestice i indukcije magnetskog polja.

Ako se čestica kreće brzinom usmjerenom duž linija magnetske indukcije, tada sila ne djeluje na nju (F = 0), ubrzanje čestice će biti jednako 0 i kretanje će biti ravnomjerno.

Ako je brzina čestice usmjerena okomito na linije magnetske indukcije, tada će čestica biti pod utjecajem sile konstantne veličine: usmjerene okomito na brzinu, i dajući samo normalno (centripetalno) ubrzanje čestici. Modul brzine se u ovom slučaju ne mijenja. Objasni zašto? Kao rezultat toga, čestica će se kretati u krug, čiji se radijus može naći na osnovu Newtonovog 2. zakona:

Orbitalni period čestice:

Iz rezultirajućeg izraza jasno je da period okretanja čestice u jednoličnom magnetskom polju ne ovisi o brzini čestice i inverzan je njenom specifičnom naboju.

Uz poznati polumjer putanje čestice, iz izraza (4) može se pronaći brzina čestice:

Ako je brzina nabijene čestice usmjerena pod uglom α prema vektoru magnetske indukcije, tada se njeno kretanje može predstaviti kao superpozicija dvaju kretanja:

Kao rezultat sabiranja dva kretanja, nastaje spiralno kretanje čija je os paralelna sa linijama magnetskog polja (slika 2).

Razdaljina h udaljenost između dva najbliža zavoja spirale naziva se korak. Visina spirale je:

U ovom laboratorijskom radu razmatra se kretanje elektrona u magnetskom polju, a svi dobijeni odnosi se koriste za opisivanje tog kretanja.

Rice. 2. Putanja nabijene čestice koja leti pod uglom α prema linijama sile jednolikog magnetskog polja. R – poluprečnik, h – nagib spirale.

Prošavši kroz ubrzavajuću razliku potencijala U, elektron dobija brzinu , čija se vrijednost može naći iz jednakosti rada električnog polja i kinetičke energije elektrona (zakon održanja energije napisan je za ne -relativistički slučaj):

gdje je naboj elektrona (modulo), masa elektrona.

Koristeći izraz (6), nalazimo brzinu elektrona:

Zamjenom (9) u (8) i izražavanjem specifičnog naelektrisanja elektrona dobijamo:

Eksperimentalna postavka

Specifični naboj elektrona se određuje pomoću postavke prikazane na Sl. 3. Glavni elementi instalacije su: katodna cijev 7, sistem Helmholtz kalemova 11, koji stvara jednolično magnetsko polje po cijeloj zapremini koju pokrivaju kalemovi, i kontrolni elementi prikazani na sl. 3.

Rice. 3. Instalacija za određivanje specifičnog naboja elektrona.

1 – Dugme za uključivanje/isključivanje uređaja: 2 – tropoložajni prekidač, koji se koristi za promjenu smjera struje magnetiziranja u Helmholtzovim kalemovima 11 “u smjeru kazaljke na satu”, “isključeno”, “u smjeru suprotnom od kazaljke na satu”; 3 – dugme za podešavanje struje magnetiziranja, struja se meri pomoću ampermetra koji se nalazi na prednjoj ploči instalacije; 4 – dugme za podešavanje napona ubrzanja, njegovo očitavanje se vrši pomoću voltmetra koji se nalazi na prednjoj ploči instalacije; 5 – prekidač, ima tri položaja, u Za ovaj eksperiment, trebao bi biti u "isključenom" položaju, 6 – ručka za podešavanje elektrostatičkog polja, koja se ne koristi u ovom eksperimentu i treba da bude u krajnjem levom položaju; 7 – katodna cijev; 8, 10 uređaji za mjerenje prečnika elektronskog snopa; 9 – trag elektronskog snopa.

Helmholtzovi kalemovi su sistem od dva tanka namotaja koja se nalaze koaksijalno na udaljenosti između centara zavojnica koja je jednaka njihovom radijusu. Debljina namotaja je znatno manja od njihovog prosječnog prečnika. Sa ovom geometrijom rasporeda zavojnica, indukcija magnetnog polja u cijelom volumenu između zavojnica je gotovo ista. Vektor indukcije magnetskog polja Helmholtzovih zavojnica usmjeren je duž ose oba zavojnica prema posmatraču ili od posmatrača, ovisno o smjeru struje u Helmholtzovim zavojnicama. Smjer struje se mijenja pomoću prekidača 2, sl. 3. Katodna cijev 7 nalazi se u središnjem dijelu polja koje stvaraju ovi kalemovi, Sl. 3.

Indukcija magnetnog polja B unutar prstenastog sistema može se izračunati na osnovu Biot-Savart-Laplaceovog zakona i principa superpozicije polja koja stvaraju dva Helmholcova prstena. Ovaj proračun daje izraz za indukciju magnetskog polja:

gdje je magnetna konstanta, N = ukupan broj zavoja dva namotaja, R je prosječni polumjer zavojnica, I je jačina struje u Helmholtz zavojnicama.

Uzimajući u obzir (11), formula (10) će imati oblik:

gdje k ​​označava izraz: . Zamjena vrijednosti konstante u ovu formulu μ O i vrijednosti parametara N i R Helmholtzovih zavojnica ove instalacije, konačno dobijamo sljedeći izraz za formulu (12):

Radni nalog

Jedinica je pripremljena za rad; nije dozvoljeno rotirati katodnu cijev, niti rotirati ili prebacivati ​​druge tipke osim navedenih u ovim uputama. Neprekidno vrijeme eksperimenta ne bi trebalo da prelazi 45 minuta.Prekidač 5, sl. 3, mora biti u položaju "onemogućeno". iu ovom eksperimentu njegov položajne bi trebalo da se menja. Odabiremo struju magnetiziranja unutar 1 - 2 A, y Napon ubrzanja postavljamo u rasponu od 150 – 200 V. Prije isključivanja uređaja, koristite dugme za podešavanje struje 2 i napon ubrzanja 4, sl. 3 okrenite se krajnje lijevo.

Rice. 4 Elektronski snop u odsustvu magnetnog polja. Da bi se vizualizirao elektronski snop, mala količina inertnog plina se puni u prethodno evakuiranu katodnu cijev. Zbog sudara između elektrona i atoma plemenitog plina, atomi plina se pobuđuju, a zatim emituju zelenkasto svjetlo, pokazujući na taj način putanju elektrona.

Rice. 5. Pogled na snop elektrona u magnetskom polju stvorenom magnetnim poljem Helmholtzovih zavojnica.

Postupak mjerenja

Kao što se može vidjeti iz radne formule (12), za eksperimentalno određivanje specifičnog naboja elektrona treba izmjeriti napon ubrzanja U, jačina struje magnetiziranja I i radijus elektronskog prstena r. Napon ubrzanja i struju magnetiziranja mjerimo pomoću voltmetra i ampermetra koji se nalazi na prednjoj ploči instalacije. Radijus prstena mjerimo mjerenjem prečnika prstena pomoću mjernog ravnala 10, sl. 3. Da biste povećali tačnost mjerenja radijusa elektronskog prstena, preporučujemo sljedeći redoslijed radnji. Za mjerni lenjir 3, sl. 6, jednom nogom pričvrstiti pravougaoni trougao 2. Zatim pomeriti nišan 4 i trougao 2 i posmatrati okom položaj desne ivice prstena uz drugu nogu. Čim se rub elektronskog prstena, tražilo i oko posmatrača nađu na istoj liniji, mjerimo koordinate ovog ruba prstena. Zatim na isti način brojimo lijevu ivicu elektronskog snopa. Razlika između ovih koordinata dat će vrijednost promjera elektronskog prstena, koja odgovara datim vrijednostima napona ubrzanja i jačini struje magnetiziranja u Helmholtzovim prstenovima. Ovaj postupak smanjuje grešku u mjerenju promjera prstena povezanu s paralaksom, promjenom položaja tražila kada se oči promatrača pomjeraju u smjeru okomitom na liniju vida.

Nakon savladavanja tehnike potrebnih očitavanja, trebali biste prijeći na glavni eksperiment. Postavljamo struju magnetiziranja na 1,50 A, mjerimo prečnike prstenova na 3 različita napona ubrzanja: 150, 175, 200 V. Zatim postavljamo napon ubrzanja na 175 V i mjerimo prečnike prstenova na tri vrijednosti od struja magnetiziranja: 1,00 A, 1,50 A, 2,00 A. Rezultati mjerenja se unose u unaprijed pripremljenu tabelu. Naznačena očitanja treba da budu napravljena sa tačnošću od polovine vrednosti deljenja mernih instrumenata

Tabela br. 1

Tabela eksperimentalnih podataka

№ p/p	Snaga struje(I±∆I)	Ubrzavajući napon(U±∆ U)	Prečnik prstena(d±∆ d)	Radijus prstena(r±∆ r)	Specifična naplatae/m e
				m∙10 -3	C/kg

Obrada rezultata eksperimenta.

,

gdje . – apsolutna greška i th mjerenje specifičnog naboja, je Studentov koeficijent, n je broj mjerenja, u našem slučaju je odabrano 6 mjerenja, α je Studentov koeficijent pouzdanosti. U laboratorijskim mjerenjima preporučuje se postavljanje na 95%.

Izračunajte relativnu grešku ε specifičnog naboja elektrona koristeći formulu:

Zapišite konačni rezultat i uporedite ga sa tabelarnom vrijednošću specifičnog naboja elektrona.

Struja, naelektrisanje elektrona - svi znaju ove riječi.

Dakle, šta je električna energija, kako se proizvodi i prenosi? Odgovor na ova pitanja nije lak. Da biste to učinili, morate se upoznati sa značajnim rasponom pojava koje se nazivaju električnim. Razmotrimo prvo porijeklo riječi "električna energija".

Čak su i naučnici antičke Grčke otkrili da nakon trljanja predmeta napravljenih od ćilibara, svjetlosna tijela ih privlače. Amber na grčkom znači “elektron”; Od ove riječi potiče naziv "električni".

U drugoj polovini 16. veka engleski naučnik Gilbert otkrio je da ne samo ćilibar ima svojstvo da privlači svetlosna tela. Mnoge supstance, kao što su smola i staklo, takođe stiču ovo svojstvo trenjem. Ova pojava se naziva elektrifikacija. Supstanca koja dobija ovo svojstvo trenjem naziva se naelektrisana.

Naučnici su objasnili naelektrisanje tijela pojavom elektriciteta na tijelu ili električnog naboja.

Da bi se tijelo naelektriziralo, nije ga potrebno trljati; možete ga, na primjer, dodirnuti bilo kojim prethodno naelektriziranim predmetom. Dakle, iskustvo pokazuje da se naelektrisana tijela odbijaju ili privlače. Na osnovu ovoga došli smo do zaključka da postoje različite vrste električnog naboja. To su naboji suprotni jedan drugom.

Neki od ovih naboja se konvencionalno nazivaju pozitivnim, a drugi - negativnim. Zapažanja o tome kako naelektrisana tela međusobno deluju omogućila su da se utvrdi da će se slična naelektrisanja odbijati, a različita naelektrisanja privlačiti.

Pitanje šta je električni naboj već dugo zanima naučnike. U početku se pretpostavljalo da su električne pojave uzrokovane električnom tekućinom koja nema težinu. Neki naučnici su pretpostavili da svako tijelo ima dva električna fluida: pozitivnu i negativnu, a višak jedne čini pozitivnu naelektrizaciju tijela, a višak druge - negativnu. Ako su prisutni u jednakim količinama, tada se djelovanje obje tečnosti međusobno uništava. U tom slučaju tijelo postaje nenapunjeno. Drugi naučnici su vjerovali da postoji samo jedna električna tekućina, koja je sadržana u određenoj količini u svakom nenabijenom tijelu. Njegov višak u tijelu stvara pozitivnu elektrifikaciju, a nedostatak - negativnu. Međutim, postupno nas je analiza novih eksperimentalnih činjenica prisilila da napustimo hipotezu o električnoj tekućini.

Tako je otkriveno da elektricitet ima atomsku strukturu, tj. može se podijeliti na sastavne dijelove, od kojih svaki predstavlja takozvani elementarni električni naboj. Ovaj zaključak je omogućen, s jedne strane, proučavanjem prolaska elektriciteta kroz rastvore soli i kiselina, a zatim proučavanjem elektriciteta u gasovima. I konačno, iskustvo je pokazalo da elementarne električne naboje nose najsitnije čestice materije.

Eksperimenti koje je krajem 19. veka sproveo engleski fizičar Tomson omogućili su da se otkrije posebna čestica materije koja ima najmanji električni naboj, a kasnije je bilo moguće i izmeriti njenu vrednost.

Dakle, najmanja čestica materije koja ima elementarni negativni naboj naziva se elektron.

Električni naboj elektrona jedno je od njegovih najvažnijih neodvojivih svojstava.

Njegova masa m = 9,1˖10⁻²⁸ g.

Naelektrisanje elektrona e = - 4,8˖10⁻¹⁰ jedinica.

Elektron je jedna od čestica koja je dio svake supstance. Supstance se sastoje od atoma, koji uključuju pozitivno nabijeno jezgro i elektrona koji se kreću oko njega. Negativni naboj elektrona je potpuno isti u bilo kojoj tvari, ali njihov broj i raspodjela oko jezgra su različiti. Kada je atom u neutralnom stanju, pozitivni naboj jednak je zbroju negativnih naboja svih elektrona koji kruže oko njega.

Dešava se da atom izgubi elektrone; u ovom slučaju, pozitivni naboj jezgra postaje veći od zbira naboja preostalih elektrona, tada će cijeli atom postati pozitivno nabijen. Kada je tijelo negativno nabijeno, to znači da se u njemu nalazi višak elektrona.

Kretanje elektrona uslovljava preraspodjelu električnih naboja u tvarima, pozitivnu i negativnu naelektrizaciju tijela i druge pojave.