Elektron (elemi részecske). Elektron fajlagos töltésének meghatározása Az elektrontöltési modulus mai értéke az

A munka célja: határozza meg az elektron fajlagos töltését az elektron mozgásával egy mágneses térbe helyezett diódában.

Felszerelés: tábla diódával és tekerccsel, tápegység, voltmérő, milliaméter, ampermérő.

ELMÉLETI BEVEZETÉS

A fajlagos töltés az elemi részecskék jellemzője, amely megegyezik a töltés és a tömeg arányával. Egyes kísérletekben a töltés és a tömeg egyidejű mérése lehetetlen, de meg lehet határozni a fajlagos töltést, amelynek értéke lehetővé teszi a részecske azonosítását. Egy elektron fajlagos töltése meghatározható például a hengeres magnetron módszerrel.

A magnetron egy elektroncső, amelyben az elektronok mozgását mágneses tér szabályozza. A magnetronokat a rádiótechnikában ultramagas frekvenciájú rezgések generálására használják. Működés közben egy elektroncsövet használnak magnetronként - egy 1Ts 11P diódát, amelyet egy tekercs mágneses mezőjébe helyeznek árammal.

A felmelegített katód által kibocsátott elektronok a termikus emisszió jelensége miatt elektromos tér hatására az anód felé mozdulnak el. Az elektromos térerősség a katódon a legnagyobb, a tér többi részében pedig gyenge. Ezért az elektronok a katód közelében felgyorsulnak, majd szinte állandó sebességgel mozognak radiális irányban az anód felé. Elektron sebesség V az energiamegmaradás törvénye alapján határozható meg. Az elektromos térben lévő elektron potenciális energiája, amikor a katódról az anódra mozog, mozgási energiává alakul:

Ahol e,m – az elektron töltése és tömege; U– potenciálkülönbség a dióda katódja és anódja között.

Ha bekapcsolja a mágneses teret , a dióda tengelyével párhuzamosan, ami azt jelenti, hogy merőleges a sebességvektorra, akkor a Lorentz-erő kezd hatni az elektronokra

, (2)

Ahol B– mágneses tér indukció.

Az erő iránya a bal kéz szabályával határozható meg: ha négy ujjat sebességgel kinyújtjuk, és az erővonalak a tenyérbe lépnek, akkor a behajlított hüvelykujj pozitív töltés esetén mutatja az erő irányát. Egy negatív elektron esetében ez fordítva van. A Lorentz-erő merőleges a sebességvektorra, tehát centripetális erő. Ezért az elektron pályája egy körív. Newton második törvénye szerint az elektrontömeg és a centripetális gyorsulás szorzata egyenlő a Lorentz-erővel:
Ezért a pálya görbületi sugara egyenlő

. (3)

Amint látható, a mágneses térindukció növekedésével az ív görbületi sugara csökken (1. ábra). A mágneses tér indukciójának bizonyos értékénél, amelyet kritikusnak neveznek BAN BEN cr, az elektron pályája körré alakul, amely érinti az anódot. A kritikus pályasugár egyenlő az anódsugár felével R= r/ 2. Ha a mágneses teret tovább növeljük, a pálya sugara tovább csökken, és az elektronpályák nem érintik az anódot. Az elektronok már nem érik el az anódot, és az anódáram nullára csökken.

Valójában az elektronok sebessége némileg különbözik az egymással való kölcsönhatásuk miatt, nem minden elektron mozog merőlegesen a katódra. Ezért az anódáram csökkenése fokozatos lesz: először a lassú elektronok nem érik el az anódot, majd a gyorsabbak. Az (1) egyenletből kapott négyzetes középsebesség a grafikon legmeredekebb csökkenése szakaszának felel meg (2. ábra).

Az (1) és (3) egyenlet együttes megoldása, figyelembe véve R= r/ A 2. ábrán egy képletet kapunk az elektron fajlagos töltésének kiszámításához

. (4)

A mágneses tér indukciója a tekercs közepén a képlet segítségével számítható ki

, (5)

G de = 4∙10 -7 G/m – mágneses állandó; N– tekercsfordulatok száma; J cr– kritikus áramerősség; l – tekercs hossza; β – a tekercs középpontjától a külső menetek iránya és a tekercs tengelye közötti szög.

A fajlagos elektrontöltés kísérleti mérése laboratóriumi berendezésben történik. Ez a következőkből áll: 1) a tekercs belsejében elhelyezett elektroncsővel ellátott modul; 2) tápegység ampermérővel a tekercsben lévő áram mérésére és voltmérővel, 3) milliampermérővel az anódáram mérésére (3. ábra). A modul és a tápegység kábellel csatlakozik.

A MUNKA ELKÉSZÍTÉSE

1. Állítsa a milliamperméter mérési határait 20 mA-re. Ellenőrizze a modulhoz való csatlakozását a „PA” aljzatokhoz. A mutatónak nullát kell mutatnia.

2. Csatlakoztassa a tápegységet egy 220 V-os hálózathoz Változó ellenállások segítségével állítsa be az anódfeszültséget 12-120 V tartományba, a tekercsen átmenő minimális áramerősséget (0,5 A). A katód felmelegítése után áramnak kell megjelennie az anódáramkörben, milliamperméterrel rögzítve.

Ismételje meg az anódáram mérését, változtassa meg a tekercsen áthaladó áramot 0,5 A és 1,5 A közötti tartományban 0,1 A-enként (az ampermérő skála egy osztása). Az eredményeket rögzítse a táblázatban. 1.

Asztal 1

3. Írja be a táblázatba! 2 beépítési paraméter és anódfeszültség. Kapcsolja ki a milliamétert és a tápegységet.

2. táblázat

4. Rajzolja fel az anódáram erősségének függőségét J hu a tekercsben lévő áramon J macska . A diagram mérete legalább fél oldal. Jelöljön meg egy egységes skálát a tengelyeken. Rajzolj egy sima görbét a pontok köré, hogy a pontok eltérései minimálisak legyenek.

5. Határozza meg a grafikonból a tekercs kritikus áramának átlagos értékét! J cr mint az anódáram legmeredekebb csökkenése szakaszának közepének abszcisszán (2. ábra). Jegyezze fel a táblázatba. 2.

7. Becsülje meg a fajlagos töltés mérésének szisztematikus hibáját a képlet segítségével!

, (6)

feltételezve, hogy a hiba főként a kritikus áram meghatározásának pontatlanságából adódik. Elfogadás 2  J cr megegyezik a meredek lejtő szakasz szélességével (2. ábra).

9. vonjon le következtetéseket. Rögzítse az eredményt
. Hasonlítsa össze a fajlagos elektrontöltés táblázati értékével!
Kl/kg.

ELLENŐRZŐ KÉRDÉSEK

1. Határozza meg egy részecske fajlagos töltését! Melyik részecske rendelkezik a maximális fajlagos töltéssel?

2. Írja fel a Lorentz-erő képletét. Hogyan határozzuk meg a Lorentz-erő irányát? Magyarázd meg példákkal.

3. Írja fel Newton második törvényének egyenletét az elektron keresztirányú mágneses térben való mozgására!

4. Magyarázza meg a dióda katódja és anódja közötti elektronpálya változásának okát a mágneses tér indukciójának növekedésével! Határozza meg a kritikus indukciót.

5. Magyarázza meg az anódáram erősségének függését a növekvő mágneses térindukciótól! Miért nem csökken hirtelen az áram erőssége az indukció kritikus értékénél?

6. Készítsen képletet az elektron fajlagos töltésének kiszámításához a magnetronban való mozgása alapján!

Az elektrontöltés legközvetlenebb meghatározását R. Millikan kísérletei végezték, amelyek során a kis részecskéken megjelenő nagyon kis töltéseket mérték. Ezeknek a kísérleteknek az ötlete a következő volt. Az elektronelmélet alapfogalmai szerint egy test töltése a benne lévő elektronok számának változása következtében keletkezik (vagy pozitív ionok, amelyek töltése egyenlő vagy többszöröse az elektron töltésének). ). Ennek eredményeként bármely test töltése csak hirtelen változhat, ráadásul olyan részekben, amelyek egész számú elektrontöltést tartalmaznak. Ezért, miután kísérletileg megállapítottuk az elektromos töltés változásának diszkrét jellegét, ezáltal igazolást kaphatunk az elektronok létezéséről, és meghatározhatjuk egy elektron töltését (elemi töltés).

Nyilvánvaló, hogy az ilyen kísérletekben a mért töltéseknek nagyon kicsiknek kell lenniük, és csak kis számú elektrontöltésből kell állniuk. Ellenkező esetben egy elektron összeadása vagy kivonása csak kis százalékos változást eredményez a teljes töltésben, és ezért a töltésmérés elkerülhetetlen hibái miatt könnyen kikerülhet a megfigyelő elől.

Kísérletek során kiderült, hogy a részecskék töltése valójában ugrás közben változik, és a töltésváltozások mindig egy bizonyos végső töltés többszörösei.

A Millikan-kísérlet diagramja az ábrán látható. 249. A készülék fő része egy gondosan megmunkált párhuzamos lemezes kondenzátor, melynek lapjai több ezer voltos feszültségforrásra vannak kötve. A lemezek közötti feszültség változtatható és pontosan mérhető. A speciális szórópisztollyal nyert kis olajcseppek a felső lemezen lévő lyukon keresztül esnek a lemezek közötti térbe. Az egyes olajcseppek mozgását mikroszkóppal figyeljük meg. A kondenzátor védőburkolatba van zárva, állandó hőmérsékleten tartva, védve a cseppeket a levegő konvekciós áramától.

Az olajcseppek permetezéskor feltöltődnek, ezért mindegyikre két erő hat: az eredő gravitációs és felhajtóerő (archimedesi) erő, valamint az elektromos tér által keltett erő.

AZ ELEKTROMOS ÁRAM ÁTALAKÍTÁSA FÉMEKEN

Elektronikus vezetőképesség fémek Az áram fémeken (első típusú vezetőkön) való áthaladását nem kíséri kémiai változás. Ez a körülmény arra utal, hogy a fématomok nem mozognak a vezető egyik szakaszáról a másikra, amikor áram folyik. Ezt a feltevést Karl Viktor Eduard Rikke (1845-1915) német fizikus kísérletei is megerősítették. Rikke olyan láncot állított össze, amely három, a végeinél szorosan egymáshoz szorított hengerből állt, amelyek közül a két legkülső réz, a középső alumínium volt. Ezeken a hengereken nagyon hosszú ideig (több mint egy évig) áramot vezettek át, így az összes áramló villamos energia hatalmas értéket (több mint 3 000 000 C-ot) ért el. Ezután a réz és az alumínium érintkezési helyének alapos elemzése során Rikke nem tudta kimutatni az egyik fém behatolásának nyomait a másikba. Így amikor az áram áthalad a fémeken, a fématomok nem mozognak együtt az árammal.

Hogyan történik töltésátvitel, amikor az áram áthalad egy fémen?

Az elektronelmélet általunk többször is használt fogalmai szerint az egyes atomokat alkotó negatív és pozitív töltések jelentősen eltérnek egymástól. A pozitív töltés magához az atomhoz kapcsolódik, és normál körülmények között elválaszthatatlan az atom fő részétől (magától). A negatív töltések - az elektronok, amelyek bizonyos töltése és tömege közel 2000-szer kisebb, mint a legkönnyebb atom tömege - a hidrogén, viszonylag könnyen elválaszthatók az atomtól; az elektront elvesztő atom pozitív töltésű iont képez. A fémekben mindig jelentős számú „szabad” elektron válik le az atomoktól, amelyek az egyik ionból a másikba vándorolnak a fémben. Ezek az elektronok elektromos tér hatására könnyen áthaladnak a fémen. Az ionok alkotják a fém vázát, kristályrácsát (lásd I. kötet).

Az egyik legmeggyőzőbb jelenség, amely feltárja a fém pozitív és negatív elektromos töltései közötti különbséget, a 9. §-ban említett fotoelektromos hatás, amely azt mutatja, hogy az elektronok viszonylag könnyen kiszakadhatnak a fémből, míg a pozitív töltések szorosan kötődnek a fémhez. a fém anyaga. Mivel az áram áthaladásakor az atomok, és így a hozzájuk kapcsolódó pozitív töltések nem mozognak a vezető mentén, a szabad elektronokat a fémben lévő elektromosság hordozóinak kell tekinteni. Ezen elképzelések közvetlen megerősítése azok a fontos kísérletek, amelyeket 1912-ben végeztek először L. I. Mandelstam és N. D. Papaleksi *), de ők nem publikálták. Négy évvel később (1916) R. C. Tolman és T. D. Stewart publikálták kísérleteik eredményeit, amelyekről kiderült, hogy hasonlóak Mandelstam és Papaleksi kísérleteihez.

A kísérletek felállításakor a következő gondolatból indultunk ki. Ha egy fémben vannak szabad töltések, amelyek tömeggel rendelkeznek, akkor azoknak be kell tartaniuk a tehetetlenségi törvényt (lásd I. kötet). A gyorsan mozgó vezető, például balról jobbra, ebbe az irányba mozgó fématomok halmaza, amelyek szabad töltéseket hordoznak magukkal. Amikor egy ilyen vezető hirtelen leáll, az összetételében lévő atomok leállnak; A szabad töltéseknek tehetetlenségük révén tovább kell mozogniuk balról jobbra, amíg különböző akadályok (ütközések leállított atomokkal) meg nem állítják őket. A fellépő jelenség hasonló ahhoz, amit egy villamos hirtelen megállásakor észlelünk, amikor a „laza” tárgyak és az autóhoz nem kötődő emberek egy ideig tehetetlenségből haladnak előre.

Így a vezető leállása után egy rövid ideig a benne lévő szabad töltéseknek egy irányba kell mozogniuk. De a töltések mozgása egy bizonyos irányba elektromos áram. Következésképpen, ha az érvelésünk helyes, akkor a vezető hirtelen leállása után rövid ideig tartó áram megjelenésére kell számítanunk. Ennek az áramnak az iránya lehetővé teszi, hogy megítéljük azoknak a töltéseknek az előjelét, amelyek a tehetetlenség hatására mozogtak; ha a pozitív töltések balról jobbra mozognak, akkor balról jobbra irányított áram található; ha a negatív töltések ebbe az irányba mozognak, akkor jobbról balra áramot kell figyelni. A keletkező áram a töltésektől és a hordozóik azon képességétől függ, hogy az interferencia ellenére többé-kevésbé hosszú ideig képesek-e fenntartani a tehetetlenségi mozgást, azaz a tömegüktől. Ez a kísérlet tehát nem csak a fémben lévő szabad töltések létezésére vonatkozó feltételezés tesztelését teszi lehetővé, hanem maguknak a töltéseknek, előjelüknek és hordozóik tömegének (pontosabban a töltés/tömeg arány) meghatározását is. e/m).

A kísérlet gyakorlati megvalósítása során kényelmesebbnek bizonyult nem a transzlációs, hanem a vezető forgó mozgásának alkalmazása. Egy ilyen kísérlet diagramja az ábrán látható. 141. Tekercsen, amelybe két egymástól elszigetelt tengelytengely van beágyazva 00, megerősített huzalspirál /. A spirál végeit a tengely mindkét felére forrasztják csúszóérintkezőkkel 2 ("kefék") érzékeny galvanométerre vannak rögzítve 3. A tekercset gyors forgásba állítottuk, majd hirtelen lelassult. A kísérlet valójában feltárta, hogy ebben az esetben elektromos áram keletkezett a galvanométerben. Ennek az áramnak az iránya azt mutatta, hogy a negatív töltések tehetetlenséggel mozognak. A rövid távú áram által hordozott töltés mérésével meg lehetett találni a szabad töltés és a hordozó tömegének arányát. Ez az arány e/m=l,8∙10 11 C/kg-nak bizonyult, ami jól egybeesik ennek az aránynak az elektronoknál más módszerekkel meghatározott értékével. Tehát a kísérletek azt mutatják, hogy a fémeknek szabad elektronjaik vannak. Ezek a kísérletek a fémek elektronelméletének egyik legfontosabb megerősítései. A fémekben az elektromos áram a szabad elektronok rendezett mozgása(ellentétben a véletlenszerű hőmozgásukkal, ami egy vezetőben mindig jelen van).

Fémek szerkezete. Mind a fémet alkotó szabad elektronok, mind annak ionjai folyamatos véletlenszerű mozgásban vannak. Ennek a mozgásnak az energiája a test belső energiáját képviseli. A kristályrácsot alkotó ionok mozgása csak az egyensúlyi helyzetük körüli rezgésekből áll. A szabad elektronok a fém teljes térfogatában mozoghatnak.

Ha a fém belsejében nincs elektromos tér, akkor az elektronok mozgása teljesen kaotikus; minden pillanatban a különböző elektronok sebessége eltérő, és mindenféle irányuk van (143. ábra, A). Az elektronok ebben az értelemben hasonlóak a közönséges gázokhoz, ezért gyakran elektrongáznak nevezik őket. Az ilyen hőmozgás nyilvánvalóan nem okoz áramot, mivel a teljes véletlenszerűség miatt annyi elektron fog mozogni mindkét irányba, mint az ellenkező irányba, és ezért a fémen belüli bármely területen áthaladó teljes töltés nulla lesz.

A helyzet azonban megváltozik, ha a vezető végeire potenciálkülönbséget alkalmazunk, azaz elektromos teret hozunk létre a fém belsejében. Legyen a térerő egyenlő E-vel. Ekkor mindegyik elektronra erő hat eE (pl- elektrontöltés), amely a térrel ellentétes elektrontöltés negativitása miatt irányul. Ennek köszönhetően az elektronok további, egy irányba irányított sebességeket kapnak (143. ábra, b). Most már nem lesz teljesen kaotikus az elektronok mozgása: a véletlenszerű hőmozgással együtt az elektrongáz egészében mozog, és ezért elektromos áram keletkezik. Képletesen szólva azt mondhatjuk, hogy a fémekben áramló „elektronikus szél” egy külső mező okozta. Az elektromos ellenállás oka. Most már érthető, hogy a fémek miért ellenállnak az elektromos áramnak, vagyis miért szükséges a tartós áram fenntartásához folyamatosan fenntartani a potenciálkülönbséget a fémvezető végein. Ha az elektronok nem tapasztalnának interferenciát a mozgásukban, akkor rendezett mozgásba hozva tehetetlenséggel, elektromos tér hatása nélkül, korlátlan ideig mozognának. A valóságban azonban az elektronok ütközést tapasztalnak ionokkal. Ebben az esetben azok az elektronok, amelyek az ütközés előtt bizonyos sebességgel mozogtak, az ütközést követően tetszőleges, véletlenszerű irányban visszapattannak, és az elektronok rendezett mozgása (elektromos áram) rendezetlen (termikus) mozgásba megy át: az elektromos mező megszüntetése után az áram nagyon hamar eltűnik. Ahhoz, hogy hosszan tartó áramot kapjunk, minden ütközés után újra és újra egy bizonyos irányba kell hajtani az elektronokat, ehhez pedig az szükséges, hogy az elektronokra állandóan erő hatjon, azaz egy elektromos mező a fém belsejében.

Minél nagyobb a potenciálkülönbség, amelyet egy fémvezető végein tartanak, minél erősebb az elektromos tér benne, annál nagyobb az áram a vezetőben. Az általunk nem bemutatott számítás azt mutatja, hogy a potenciálkülönbségnek és az áramerősségnek szigorúan arányosnak kell lennie egymással (Ohm törvénye).

Az elektromos tér hatására az elektronok mozgási energiára tesznek szert. Az ütközések során ez az energia részlegesen átkerül a rácsionokhoz, így azok intenzívebb hőmozgáson mennek keresztül. Így áram jelenlétében az elektronok rendezett mozgásának energiája (áram) folyamatosan átalakul az ionok és elektronok kaotikus mozgásának energiájává, amely a test belső energiáját jelenti; ami azt jelenti, hogy a fém belső energiája megnő. Ez magyarázza a Joule-hő felszabadulását.

Összefoglalva azt mondhatjuk Az elektromos ellenállás oka, hogy az elektronok mozgásuk során fémionokkal ütköznek. Ezek az ütközések ugyanazt az eredményt eredményezik, mint valamilyen állandó súrlódási erő hatása, amely az elektronok mozgását lassítja.

A különböző fémek vezetőképességének különbsége a fém egységnyi térfogatára jutó szabad elektronok számában és az elektronok mozgási körülményeiben mutatkozó különbségekből adódik, ami az átlagos szabad út, azaz a megtett út különbségéből adódik. átlagosan egy elektron által két fémionokkal való ütközés között. Ezek az eltérések azonban nem túl jelentősek, aminek következtében egyes fémek vezetőképessége csak néhány tízszeres mértékben tér el mások vezetőképességétől; ugyanakkor a legrosszabb fémvezetők vezetőképessége is százezerszer nagyobb, mint a jó elektrolitok vezetőképessége, és milliárdszor nagyobb a félvezetőké.

A szupravezetés jelensége azt jelenti, hogy olyan körülmények léptek fel a fémben, amelyek mellett az elektronok nem tapasztalnak ellenállást a mozgásukkal szemben. Ezért a szupravezető hosszú áramának fenntartásához nincs szükség potenciálkülönbségre. Elég, ha valamilyen lökéssel mozgásba hozzuk az elektronokat, és akkor a szupravezetőben a potenciálkülönbség megszüntetése után is meglesz az áram.

Munka kimenet. A szabad elektronok folyamatos hőmozgásban helyezkednek el a fém belsejében. Ennek ellenére azonban nem repülnek el a fémtől. Ez azt jelzi, hogy bizonyos erők akadályozzák a kiszökést, azaz a fém felületén túlra hajló elektronokra a fémből kifelé irányuló elektromos tér hat (az elektronok negatívak). Ez azt jelenti, hogy amikor egy elektron áthalad egy fém felületi rétegén, az ebben a rétegben lévő elektronra ható erők negatív munkát végeznek - A(itt A>0), ezért a fémen belüli és a külső pontok között feszültség van kimeneti feszültség.

A fentiekből következik, hogy ahhoz, hogy egy elektront fémből vákuumba tudjunk eltávolítani, szükséges A pozitív munkavégzés a felületi rétegben ható erőkkel szemben, ún. munka funkció. Ez az érték a fém természetétől függ.

Nyilvánvaló kapcsolat van a munkafüggvény és a kimeneti potenciál között

Ahol e- elektrontöltés (pontosabban az elektrontöltés abszolút értéke, egyenlő az elemi töltéssel). Ezért a munkafüggvényt általában a formába írják eq>.

Munka esr a felületi rétegben lévő erőkkel szemben az elektron a mozgási energia tartaléka miatt tud teljesíteni. Ha a mozgási energia kisebb, mint a munkafüggvény, akkor nem tud áthatolni a felületi rétegen, és a fém belsejében marad. Így az a feltétel, amely mellett az elektron kibocsátható egy fémből, a formája

Itt T- elektron tömeg, vn sebességének normál (a felületre merőleges) komponense, eU a munkafüggvény.

Szobahőmérsékleten a fémben lévő elektronok hőmozgásának átlagos energiája több tízszer kisebb, mint a munkafüggvény; Ezért szinte az összes elektromos áramot visszatartja a fém belsejében lévő felületi rétegben lévő mező.

A munkafüggvényt általában nem joule-ban, hanem mértékegységben mérik elektronvoltok(eV). Egy elektronvolt az a munka, amelyet a térerők egy elektron töltésével egyenlő töltésen végeznek(azaz az elemi töltés felett e), amikor egy voltos feszültség halad át rajta:Izzó testek elektronkibocsátása. Az elektronok hőmozgása egy fémben véletlenszerű, így az egyes elektronok sebessége jelentősen eltérhet egymástól, akárcsak a gázmolekulák esetében. Ez azt jelenti, hogy a fém belsejében mindig lesz bizonyos számú gyors elektron, amely áttörhet a felületen. Más szóval, ha a fém szerkezetéről alkotott, általunk elfogadott kép helyes, akkor az elektronok „elpárolgása” következzen be, hasonlóan a folyadékok párologtatásához.

Szobahőmérsékleten azonban a (89,2) feltétel csak a fémben lévő elektronok jelentéktelen hányadára teljesül, és az elektronok párolgása olyan gyenge, hogy nem észlelhető. A helyzet megváltozik, ha a fémet nagyon magas hőmérsékletre (1500-2000 ° C) hevítik. Ilyenkor nőnek a hősebességek, nő a kibocsátott elektronok száma, párolgásuk kísérletileg könnyen megfigyelhető. Egy ilyen kísérlethez lámpa használható L(144. ábra), amely az izzószálon kívül tartalmaz NAK NEK(például wolfram), és egy további elektróda L. A levegőt a lámpából óvatosan kiszivattyúzzuk, hogy ne bonyolítsuk a jelenséget légionok részvételével. A lámpa £i elemhez és galvanométerhez csatlakozik G hogy az akkumulátor negatív pólusa csatlakozzon az izzószálhoz.

Ha az izzószál hideg, a galvanométer nem mutat áramot, mivel a katód és az anód között nincsenek ionok vagy elektronok, amelyek töltést hordozhatnának. Ha azonban az izzószálat segédakkumulátorral melegítik B 2és fokozatosan növeljük az izzószál áramát, majd amikor az izzószál fehéren izzóvá válik, áram jelenik meg az áramkörben. Ezt az áramot az izzószálból elpárolgó elektronok képezik, amelyek az alkalmazott elektromos tér hatására eltávolodnak az izzószáltól NAK NEK az elektródához A. A forró katód egységnyi felületéről kibocsátott elektronok száma nagymértékben függ a hőmérséklettől és az anyagtól, amelyből készült (munkafunkció). Ezért a megfigyelt áram nagyon gyorsan növekszik az izzószál hőmérsékletének növekedésével.

Ha csatlakoztatja az akkumulátor pólusait B 1 hogy a menet a pozitív pólusra legyen kötve, akkor nem lesz áram az áramkörben, hiába melegítjük a menetet. Ez azért történik, mert az elektromos tér most hajlamos az elektronokat A-ból K-be mozgatni, és ezért visszaadja az elpárolgott elektronokat az izzószálba. Ez a kísérlet is azt bizonyítja, hogy a fémekből csak negatív elektronok párolognak el, pozitív ionok nem, amelyek szilárdan kötődnek a fém kristályrácsában. A leírt jelenség, az ún termikus emisszió, különféle és fontos alkalmazásokat talált.

Ennek a kifejezésnek más jelentése is van, lásd: Elektron (jelentések). Az "Electron 2" "Electron" négy szovjet mesterséges földi műholdból álló sorozat, amelyet 1964-ben indítottak útnak. Cél ... Wikipédia

Elektron- (Novoszibirszk, Oroszország) Szállodakategória: 3 csillagos szálloda Cím: 2nd Krasnodonsky Lane ... Szállodakatalógus

- (e, e szimbólum), első elem. h tsa a fizikában fedezték fel; mater. a legkisebb tömeg és a legkisebb elektromos teljesítmény hordozója. töltés a természetben. E. atomok összetevője; számuk neutr. atom egyenlő at. szám, azaz a protonok száma az atommagban. Töltés (e) és tömeg...... Fizikai enciklopédia

Elektron- (Moszkva, Oroszország) Szállodakategória: 2 csillagos szálloda Cím: Andropov Avenue 38 épület 2 ... Szállodakatalógus

Elektron- (e, e) (a görög elektron borostyánból; súrlódás hatására könnyen villamosítható anyag), stabil elemi részecske negatív elektromos töltéssel e=1,6´10 19 C, tömege 9´10 28 g. a leptonok osztályába. Egy angol fizikus fedezte fel...... Illusztrált enciklopédikus szótár

- (e e), stabil negatív töltésű elemi részecske spinnel 1/2, tömege kb. 9,10 28 g és a mágneses nyomaték megegyezik a Bohr-magnetonnal; a leptonokhoz tartozik, és részt vesz elektromágneses, gyenge és gravitációs kölcsönhatásokban...

- (e jelölés), stabil, negatív töltésű ELEMI RÉSZecske, nyugalmi tömege 9,1310 31 kg (ami egy PROTON tömegének 1/1836-a). Az elektronokat Joseph Thomson angol fizikus fedezte fel 1879-ben. A CORE körül mozognak, ... ... Tudományos és műszaki enciklopédikus szótár

Létezik., szinonimák száma: 12 delta elektron (1) lepton (7) ásvány (5627) ... Szinonima szótár

A Szovjetunióban létrehozott mesterséges földi műhold a sugárzási övek és a Föld mágneses mezőjének tanulmányozására. Párban indították útnak, egyiket a sugárzónák alatt, a másikat a sugárzónák felett fekvő pálya mentén. 1964-ben 2 pár elektront indítottak... Nagy enciklopédikus szótár

ELEKTRON, ELEKTRON, férj. (görög elektron borostyán). 1. A legkisebb negatív elektromos töltésű részecske, amely protonnal kombinálva atomot képez (fizikai). Az elektronok mozgása elektromos áramot hoz létre. 2. csak egységek. Könnyű magnéziumötvözet,...... Ushakov magyarázó szótára

ELEKTRON, a, m. (különleges). A legkisebb negatív elektromos töltésű elemi részecske. Ozhegov magyarázó szótára. S.I. Ozhegov, N. Yu. Shvedova. 1949 1992… Ozsegov magyarázó szótára

Könyvek

• Elektron. A tér energiája, Landau Lev Davidovich, Kitaigorodsky Alexander Isaakovich. A Nobel-díjas Lev Landau és Alekszandr Kitaigorodszkij könyvei olyan szövegek, amelyek megdöntik a körülöttünk lévő világról alkotott általános felfogást. A legtöbben folyamatosan szembesülünk azzal, hogy...
• Electron Space Energy, Landau L., Kitaigorodsky A.. A Nobel-díjas Lev Landau és Alekszandr Kitaigorodszkij könyvei olyan szövegek, amelyek megdöntik a minket körülvevő világ filiszteri elképzeléseit. A legtöbben folyamatosan szembesülünk a...

Oktatási és módszertani kézikönyv laboratóriumi munkákhoz 3.10k sz

a "fizika" szakon

Vlagyivosztok

OKTATÁSI ÉS TUDOMÁNYOS MINISZTÉRIUM

Orosz Föderáció

Szövetségi Állami Autonóm Oktatási Felsőoktatási Intézmény

"Far Eastern Federal University (FEFU)

Tudományos Iskola

Elektron fajlagos töltésének meghatározása

Oktatási segédlet laboratóriumi munkákhoz 3.10. sz

a "fizika" szakon

Vlagyivosztok

Távol-keleti Szövetségi Egyetem

UDC 53.082.1; 531,76

Az elektron fajlagos töltésének meghatározása: oktatási és módszertani kézikönyv laboratóriumi munkákhoz No. 3.10k a „Fizika” tudományágban / Far Eastern Federal University, School of Natural Sciences / Comp. N.P. Dymchenko, O.V. Plotnyikova. – Vlagyivosztok: Dalnevoszt. szövetségi egyetem, 2014. - 13 p.

A Távol-keleti Szövetségi Egyetem Természettudományi Karának Általános Fizikai Tanszéke által készített kézikönyv rövid elméleti anyagot tartalmaz a „Töltött részecskék mozgása elektromos és mágneses térben” témában, valamint módszertani utasításokat tartalmaz a „Meghatározás” laboratóriumi munkák elvégzéséhez. elektron fajlagos töltése” a „Fizika” tudományágban. A kézikönyv a FEFU mérnökiskola hallgatói számára készült.

UDC 53.082.1; 531,76

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

© Szövetségi Állami Autonóm Szakmai Felsőoktatási Intézmény "FEFU", 2014

3.10k számú laboratóriumi munka Elektron fajlagos töltésének meghatározása

A munka célja: tanulmányozza a töltött részecskék mozgásának törvényeit elektromos és mágneses térben, határozza meg az elektron fajlagos töltését e /m, Helmholtz tekercsekkel.

Eszközök: installáció a Lorentz-erő demonstrálására és az elektron töltésének tömegéhez viszonyított arányának meghatározására, derékszögű háromszög.

Rövid elmélet.

Fajlagos elektrontöltés e /m az egyik alapvető állandó, mint például a fénysebesség Val vel, Planck állandó h, Boltzmann állandó kés mások. Amikor egy elektron elektromos és mágneses térben mozog, az elektron pályáját ezen mezők konfigurációja és az elektron töltésének tömegéhez viszonyított aránya határozza meg.

Ha egy mozgó töltött részecske egyenletes elektromos és mágneses mező hatása alatt áll, akkor a részecskére ható erő egyenlő:

hol a részecskesebesség, q– elektromos töltése, – elektromos térerőssége, – mágneses tér indukciója.

Ezt az erőt Lorentz-erőnek nevezik. A képletből jól látható, hogy egyenlő az elektromos és mágneses mezőkből ható erők vektorösszegével.

Tekintsük egy töltött részecske állandó sebességű mozgását egyenletes mágneses térben, feltéve, hogy nincs elektromos tér. Ebben az esetben csak a Lorentz-erő mágneses összetevője hat a részecskére:

Ennek az erőnek az iránya a töltés előjelétől függ, és a jobb oldali csavaros szabály (balkéz szabály) segítségével határozható meg, 4. ábra. 1.

A Lorentz-erő abszolút értéke:

ahol α a részecskesebesség vektorai és a mágneses tér indukciója közötti szög.

Ha egy részecske a mágneses indukció vonalaira irányított sebességgel mozog, akkor az erő nem hat rá (F = 0), a részecske gyorsulása 0 lesz és a mozgás egyenletes lesz.

Ha egy részecske sebessége merőleges a mágneses indukció vonalaira, akkor a részecske állandó nagyságú erő hatása alá kerül: merőleges a sebességre, és csak normál (centripetális) gyorsulást ad a részecskének. A sebességmodul ebben az esetben nem változik. Mondd el miért? Ennek eredményeként a részecske körben fog mozogni, amelynek sugara Newton 2. törvénye alapján meghatározható:

Részecske keringési periódusa:

A kapott kifejezésből világos, hogy egy részecske forgási periódusa egyenletes mágneses térben nem függ a részecske sebességétől, és inverz a fajlagos töltésével.

A részecske röppályájának ismert sugarával a (4) kifejezésből meghatározható a részecske sebessége:

Ha egy töltött részecske sebessége α szöget zár be a mágneses indukciós vektorral, akkor mozgása két mozgás szuperpozíciójaként ábrázolható:

Két mozgás összeadása következtében spirális mozgás jön létre, melynek tengelye párhuzamos a mágneses erővonalakkal (2. ábra).

Távolság h a csavarvonal két legközelebbi fordulata közötti távolságot emelkedésnek nevezzük. A spirál magassága:

Ebben a laboratóriumi munkában egy elektron mágneses térben való mozgását veszik figyelembe, és az összes eredő összefüggést felhasználjuk ennek a mozgásnak a leírására.

Rizs. 2. Az egyenletes mágneses tér erővonalaihoz képest α szöget bezáró töltött részecske pályája. R – sugár, h – a csavarvonal emelkedése.

A gyorsuló U potenciálkülönbségen áthaladva az elektron sebességet vesz fel, melynek értéke az elektromos tér munkájának és az elektron mozgási energiájának egyenlőségéből adódik (az energiamegmaradás törvénye a nem-re van írva). -relativisztikus eset):

ahol az elektron töltése (modulo), az elektron tömege.

A (6) kifejezés segítségével meghatározzuk az elektron sebességét:

Ha (9)-et behelyettesítjük (8)-ba, és kifejezzük a fajlagos elektrontöltést, a következőt kapjuk:

Kísérleti elrendezés

A fajlagos elektrontöltést az ábrán látható elrendezéssel határozzuk meg. 3. A beépítés fő elemei: katódsugárcső 7, Helmholtz tekercsek 11 rendszere, amely egyenletes mágneses teret hoz létre a tekercsek által lefedett teljes térfogatban, valamint az 1. ábrán látható vezérlőelemek. 3.

Rizs. 3. Telepítés elektron fajlagos töltésének meghatározására.

1 – Be-/kikapcsoló gomb a készülékhez: 2 – háromállású kapcsoló, a Helmholtz-tekercsek mágnesező áramának irányának megváltoztatására szolgál 11 „óramutató járásával megegyező”, „ki”, „óramutató járásával ellentétes irányba”; 3 – a mágnesező áram beállítására szolgáló gomb, az áramerősség mérése a berendezés előlapján található ampermérővel történik; 4 – a gyorsítófeszültség beállítására szolgáló gomb, leolvasása a berendezés előlapján található voltmérővel történik; 5 – kapcsoló, három állású, be Ennél a kísérletnél „ki” állásban kell lennie, 6 – elektrosztatikus mező beállító fogantyú, nem használt ebben a kísérletben, és a bal szélső helyzetben kell lennie; 7 – katódsugárcső; 8, 10 készülék az elektronsugár átmérőjének mérésére; 9 – az elektronsugár nyoma.

A Helmholtz-tekercsek két vékony tekercsből álló rendszer, amelyek koaxiálisan helyezkednek el a tekercsek középpontjai között, a sugarukkal megegyező távolságra. A tekercsek vastagsága lényegesen kisebb, mint az átlagos átmérőjük. Ezzel a tekercselrendezési geometriával a mágneses tér indukciója a tekercsek közötti teljes térfogatban közel azonos. A Helmholtz-tekercsek mágneses mezejének indukciós vektora mindkét tekercs tengelye mentén a megfigyelő felé vagy a megfigyelőtől távolodik, a Helmholtz-tekercsekben áramló áram irányától függően. Az áram irányát a 2. billenőkapcsolóval lehet átkapcsolni, ábra. 3. A 7 katódsugárcső az ezen tekercsek által létrehozott mező középső tartományában helyezkedik el. 3.

Mágneses tér indukció B gyűrűrendszeren belül a Biot-Savart-Laplace törvény és a két Helmholtz-gyűrű által létrehozott mezők szuperpozíciójának elve alapján számítható. Ez a számítás megadja a mágneses tér indukciójának kifejezését:

ahol a mágneses állandó, N = a két tekercs teljes fordulatszáma, R a tekercsek átlagos sugara, I a Helmholtz-tekercsek áramerőssége.

A (11) figyelembevételével a (10) képlet a következőképpen alakul:

ahol k a kifejezést jelöli: . Az állandó értékének behelyettesítése ebbe a képletbe μ Oés ennek a telepítésnek a Helmholtz-tekercseinek N és R paramétereinek értékeit, végül a következő kifejezést kapjuk a (12) képlethez:

Munkarend

Az egység üzemkész, nem szabad elforgatni a katódsugárcsövet, vagy forgatni vagy kapcsolni más gombokat, mint ahogy az ebben az útmutatóban szerepel. A folyamatos kísérleti idő nem haladhatja meg a 45 percet.5. kapcsoló, ábra. 3, "letiltott" helyzetben kell lennie és ebben a kísérletben a helyzetétnem szabad változnia. A mágnesező áramot 1 - 2 A, y között választjuk meg A gyorsítófeszültséget 150 – 200 V tartományba állítjuk. A készülék kikapcsolása előtt használja a 2. árambeállító gombot és a 4. gyorsítófeszültséget, ábra. 3 forduljon balra.

Rizs. 4 Elektronsugár mágneses tér hiányában. Az elektronsugár megjelenítéséhez kis mennyiségű inert gázt töltenek az előzőleg evakuált katódsugárcsőbe. Az elektronok és a nemesgázatomok ütközése miatt a gázatomok gerjesztődnek, majd zöldes fényt bocsátanak ki, jelezve ezzel az elektronok útját.

Rizs. 5. Egy elektronsugár képe a Helmholtz-tekercsek mágneses mezője által létrehozott mágneses térben.

Mérési eljárás

A (12) munkaképletből látható, hogy az elektron fajlagos töltésének kísérleti meghatározásához meg kell mérni a gyorsító feszültséget. U, mágnesező áram erőssége énés az elektrongyűrű sugara r. A gyorsító feszültséget és a mágnesező áramot a berendezés előlapján elhelyezett voltmérővel és ampermérővel mérjük. A gyűrű sugarát úgy mérjük meg, hogy a gyűrű átmérőjét egy 10-es mérővonalzóval megmérjük, ábra. 3. Az elektronikus gyűrű sugarának mérési pontosságának növelése érdekében a következő műveletsort javasoljuk. A 3. mérővonalzóhoz a 3. ábra. 6, rögzítse az egyik lábával a 2-es derékszögű háromszöget, majd mozgassa a 4-es irányzékot és a 2-es háromszöget, és szemével figyelje meg a gyűrű jobb szélének helyzetét a másik lábon. Amint az elektronikus gyűrű széle, a kereső és a megfigyelő szeme ugyanazon a vonalon van, megmérjük a gyűrű ezen élének koordinátáit. Ekkor ugyanígy megszámoljuk az elektronsugár bal szélét. A koordináták közötti különbség megadja az elektrongyűrű átmérőjének értékét, amely megfelel a gyorsító feszültség és a mágnesező áram erősségének adott értékeinek a Helmholtz gyűrűkben. Ez az eljárás csökkenti a gyűrű átmérőjének mérési hibáját, amely a parallaxishoz kapcsolódik, vagyis a kereső helyzetének megváltozásához, amikor a megfigyelő szeme a látóvonalra merőleges irányban eltolódik.

Miután elsajátította a szükséges leolvasások technikáját, lépjen tovább a fő kísérletre. A mágnesező áramot 1,50 A-re állítjuk, 3 különböző gyorsítófeszültségnél megmérjük a gyűrűk átmérőjét: 150, 175, 200 V. Ezután a gyorsítófeszültséget 175 V-ra állítjuk, és három értéknél megmérjük a gyűrűk átmérőjét. a mágnesező áram: 1,00 A, 1,50 A, 2,00 A. A mérési eredmények egy előre elkészített táblázatba kerülnek. A jelzett leolvasásokat a mérőműszerek osztásértékének fele pontossággal kell elvégezni

1. számú táblázat

Kísérleti adattábla

№ p/p	Áramerősség(I±∆I)	Gyorsító feszültség(U±∆ U)	Gyűrű átmérője(d±∆ d)	A gyűrű sugara(r±∆ r)	Specifikus töltése/m e
				m∙10 -3	C/kg

A kísérleti eredmények feldolgozása.

,

ahol . – abszolút hiba én A fajlagos töltés th mérése a Student-féle együttható, n a mérések száma, esetünkben 6 mérést választottunk, α a Student-féle megbízhatósági együttható. Laboratóriumi méréseknél javasolt 95%-ra állítani.

Számítsa ki az elektron fajlagos töltésének relatív hibáját ε a következő képlettel:

Írja le a végeredményt, és hasonlítsa össze az elektron fajlagos töltésének táblázati értékével!

Áram, elektrontöltés – mindenki ismeri ezeket a szavakat.

Tehát mi az elektromosság, hogyan termelik és továbbítják? Ezekre a kérdésekre nem könnyű válaszolni. Ehhez meg kell ismerkednie az elektromosnak nevezett jelenségek jelentős skálájával. Először nézzük meg az „elektromosság” szó eredetét.

Még az ókori Görögország tudósai is felfedezték, hogy a borostyánból készült tárgyak dörzsölése után a könnyű testek vonzódnak hozzájuk. A borostyán görögül „elektront” jelent; Ebből a szóból származik az „elektromos” név.

A 16. század második felében Gilbert angol tudós felfedezte, hogy nemcsak a borostyánnak van olyan tulajdonsága, hogy vonzza a fénytesteket. Sok anyag, például a gyanta és az üveg is súrlódás révén szerzi meg ezt a tulajdonságot. Ezt a jelenséget villamosításnak nevezik. Azt az anyagot, amely súrlódás révén szerzi meg ezt a tulajdonságot, villamosítottnak nevezzük.

A tudósok a testek villamosítását elektromosság megjelenésével vagy elektromos töltéssel magyarázták.

Ahhoz, hogy a test felvillanyozódjon, nem szükséges dörzsölni; megérintheti például bármely korábban villamosított tárggyal. Így a tapasztalat azt mutatja, hogy az elektromos testek taszítják vagy vonzzák. Ez alapján arra a következtetésre jutottunk, hogy különböző típusú elektromos töltések léteznek. Ezek egymással ellentétes töltések.

Ezen töltések egy részét hagyományosan pozitívnak, mások negatívnak nevezik. A villamosított testek kölcsönhatásának megfigyelései lehetővé tették annak megállapítását, hogy a hasonló töltések taszítják, a nem azonos töltések pedig vonzzák.

Az elektromos töltés mibenlétének kérdése már régóta foglalkoztatja a tudósokat. Először azt feltételezték, hogy az elektromos jelenségeket olyan elektromos folyadék okozza, amelynek nincs súlya. Egyes tudósok azt feltételezték, hogy minden testnek két elektromos folyadéka van: pozitív és negatív, és az egyik feleslege pozitívan villamosítja a testet, a másik feleslege pedig negatív. Ha egyenlő mennyiségben vannak jelen, akkor mindkét folyadék hatása tönkreteszi egymást. Ebben az esetben a test töltésmentessé válik. Más tudósok úgy vélték, hogy csak egy elektromos folyadék van, amely bizonyos mennyiségben minden feltöltetlen testben megtalálható. A felesleg a szervezetben pozitív felvillanyozást, a hiány pedig negatívat. Az új kísérleti tények elemzése azonban fokozatosan arra kényszerített bennünket, hogy feladjuk az elektromos folyadék hipotézisét.

Így kiderült, hogy az elektromosságnak atomi szerkezete van, i.e. részekre osztható, amelyek mindegyike egy úgynevezett elemi elektromos töltést képvisel. Ezt a következtetést egyrészt az elektromosság sók és savak oldatán való áthaladásának tanulmányozása, majd a gázok elektromosságának vizsgálata tette lehetővé. És végül a tapasztalat azt mutatja, hogy az elemi elektromos töltéseket az anyag legkisebb részecskéi hordozzák.

A 19. század végén Thomson angol fizikus által végzett kísérletek lehetővé tették egy különálló anyagrészecske felfedezését, amely a legkisebb elektromos töltéssel rendelkezik, majd később meg is lehetett mérni az értékét.

Így azt a legkisebb anyagrészecskét, amely elemi negatív töltéssel rendelkezik, elektronnak nevezzük.

Az elektron elektromos töltése az egyik legfontosabb elválaszthatatlan tulajdonsága.

Tömege m = 9,1–10–2⁸ g.

Elektrontöltés e = -4,8˖10⁻¹⁰ egység.

Az elektron azon részecskék egyike, amelyek minden anyag része. Az anyagok atomokból állnak, amelyek tartalmaznak egy pozitív töltésű atommagot és a körülötte mozgó elektronokat. Az elektron negatív töltése minden anyagban pontosan azonos, de számuk és eloszlásuk az atommag körül eltérő. Ha egy atom semleges állapotban van, a pozitív töltés egyenlő a körülötte keringő összes elektron negatív töltésének összegével.

Előfordul, hogy egy atom elektronokat veszít; ilyenkor az atommag pozitív töltése nagyobb lesz, mint a megmaradt elektronok töltéseinek összege, ekkor az egész atom pozitív töltésű lesz. Ha egy test negatív töltésű, az azt jelenti, hogy túl sok elektron van benne.

Az elektronok mozgása határozza meg az elektromos töltések újraeloszlását az anyagokban, a testek pozitív és negatív villamosítását és egyéb jelenségeket.