Elektron (partikel dasar). Penentuan muatan spesifik suatu elektron Nilai modern dari modulus muatan elektron adalah

Tujuan pekerjaan: menentukan muatan spesifik suatu elektron dengan pergerakan elektron dalam dioda yang ditempatkan dalam medan magnet.

Peralatan: papan dengan dioda dan koil, catu daya, voltmeter, miliammeter, ammeter.

PENDAHULUAN TEORITIS

Muatan spesifik adalah karakteristik partikel elementer yang sama dengan perbandingan muatan terhadap massa. Dalam beberapa percobaan, mengukur muatan dan massa secara bersamaan tidak mungkin dilakukan, tetapi muatan spesifik dapat ditentukan, yang nilainya memungkinkan Anda mengidentifikasi partikel. Muatan spesifik suatu elektron dapat ditentukan, misalnya dengan metode magnetron silinder.

Magnetron adalah tabung elektron yang pergerakan elektronnya dikendalikan oleh medan magnet. Magnetron digunakan dalam teknik radio untuk menghasilkan osilasi frekuensi ultra-tinggi. Dalam pengoperasiannya, tabung elektron digunakan sebagai magnetron - dioda 1Ts 11P, yang ditempatkan di medan magnet kumparan berarus.

Elektron yang dipancarkan oleh katoda yang dipanaskan akibat fenomena emisi termionik bergerak menuju anoda di bawah pengaruh medan listrik. Kuat medan listrik maksimum di katoda, dan di ruang lain medan listriknya lemah. Oleh karena itu, elektron dipercepat di dekat katoda, dan kemudian bergerak dengan kecepatan hampir konstan dalam arah radial menuju anoda. Kecepatan elektron V dapat ditentukan dengan hukum kekekalan energi. Energi potensial suatu elektron dalam medan listrik ketika berpindah dari katoda ke anoda diubah menjadi energi kinetik:

Di mana e,M – muatan dan massa elektron; kamu– beda potensial antara katoda dan anoda dioda.

Jika Anda menghidupkan medan magnet , diarahkan sejajar dengan sumbu dioda, artinya tegak lurus terhadap vektor kecepatan, maka gaya Lorentz mulai bekerja pada elektron

, (2)

Di mana B– induksi medan magnet.

Arah gaya dapat ditentukan dengan aturan tangan kiri: jika empat jari direntangkan dengan cepat, dan garis gaya masuk ke telapak tangan, maka ibu jari yang ditekuk akan menunjukkan arah gaya untuk muatan positif. Untuk elektron negatif, yang terjadi adalah sebaliknya. Gaya Lorentz tegak lurus terhadap vektor kecepatan, oleh karena itu termasuk gaya sentripetal. Oleh karena itu, lintasan elektron berbentuk busur lingkaran. Menurut hukum kedua Newton, hasil kali massa elektron dan percepatan sentripetal sama dengan gaya Lorentz:
Oleh karena itu jari-jari kelengkungan lintasan adalah sama dengan

. (3)

Seperti dapat dilihat, dengan meningkatnya induksi medan magnet, jari-jari kelengkungan busur berkurang (Gbr. 1). Pada nilai tertentu induksi medan magnet disebut kritis DI DALAM kr, orbit elektron berubah menjadi lingkaran yang menyentuh anoda. Jari-jari orbit kritis sama dengan setengah jari-jari anoda R= R/ 2. Jika medan magnet semakin diperbesar, jari-jari orbital akan semakin mengecil, dan lintasan elektron tidak akan menyentuh anoda. Elektron tidak lagi mencapai anoda, dan arus anoda akan turun menjadi nol.

Faktanya, kecepatan elektron agak berbeda karena interaksinya satu sama lain; tidak semua elektron bergerak tegak lurus terhadap katoda. Oleh karena itu, penurunan arus anoda akan terjadi secara bertahap: mula-mula elektron yang lambat tidak mencapai anoda, kemudian elektron yang lebih cepat. Kecepatan akar rata-rata kuadrat yang diperoleh dari persamaan (1) sesuai dengan bagian penurunan paling curam pada grafik (Gbr. 2).

Menyelesaikan persamaan (1) dan (3) bersama-sama, dengan memperhatikan R= R/ 2, kita memperoleh rumus untuk menghitung muatan spesifik sebuah elektron

. (4)

Induksi medan magnet pada pusat kumparan dapat dihitung dengan menggunakan rumus

, (5)

G de = 4∙10 -7 G/m – konstanta magnet; N– jumlah putaran kumparan; J kr– kekuatan arus kritis; aku – panjang kumparan; β – sudut antara arah lilitan luar dari pusat kumparan dan porosnya.

Pengukuran eksperimental muatan elektron spesifik dilakukan di laboratorium. Terdiri dari 1) modul dengan tabung elektron ditempatkan di dalam kumparan; 2) catu daya dengan ammeter untuk mengukur arus dalam kumparan dan voltmeter, 3) miliammeter untuk mengukur arus anoda (Gbr. 3). Modul dan catu daya dihubungkan dengan kabel.

PENYELESAIAN PEKERJAAN

1. Tetapkan batas pengukuran miliammeter menjadi 20 mA. Periksa sambungannya ke modul ke soket “PA”. Indikatornya harus menunjukkan nol.

2. Hubungkan catu daya ke jaringan 220 V. Dengan menggunakan resistor variabel, atur tegangan anoda pada kisaran 12–120 V, arus minimum yang melalui kumparan (0,5 A). Setelah katoda memanas, arus akan muncul di rangkaian anoda, dicatat oleh miliammeter.

Ulangi pengukuran arus anoda, ubah arus yang melalui kumparan dalam kisaran 0,5 A hingga 1,5 A setiap 0,1 A (satu pembagian skala ammeter). Catat hasilnya dalam tabel. 1.

Tabel 1

3. Tuliskan pada tabel. 2 parameter instalasi dan tegangan anoda. Matikan miliammeter dan catu daya.

Meja 2

4. Buatlah grafik ketergantungan kekuatan arus anoda J en pada arus pada kumparan J kucing . Ukuran grafik minimal setengah halaman. Tunjukkan skala seragam pada sumbu. Gambarlah sebuah kurva mulus di sekeliling titik-titik tersebut sehingga deviasi titik-titik tersebut minimal.

5. Tentukan dari grafik nilai rata-rata arus kritis pada kumparan J kr sebagai absis bagian tengah penurunan arus anodik paling curam (Gbr. 2). Catat di tabel. 2.

7. Perkirakan kesalahan sistematik dalam mengukur muatan spesifik dengan menggunakan rumus

, (6)

dengan asumsi bahwa kesalahan tersebut terutama disebabkan oleh ketidaktelitian dalam menentukan arus kritis. Terima 2  J kr sama dengan lebar bagian penurunan yang curam (Gbr. 2).

9. Menarik kesimpulan. Catat hasilnya
. Bandingkan dengan tabel nilai muatan elektron spesifik
Kl/kg.

PERTANYAAN KONTROL

1. Menentukan muatan spesifik suatu partikel. Partikel manakah yang mempunyai muatan spesifik maksimum?

2. Tuliskan rumus gaya Lorentz. Bagaimana cara menentukan arah gaya Lorentz? Jelaskan dengan contoh.

3. Tuliskan persamaan hukum kedua Newton untuk gerak elektron dalam medan magnet transversal.

4. Jelaskan penyebab perubahan lintasan elektron antara katoda dan anoda dioda seiring dengan meningkatnya induksi medan magnet. Definisikan induksi kritis.

5. Jelaskan ketergantungan kekuatan arus anoda dengan meningkatnya induksi medan magnet. Mengapa penurunan kekuatan arus tidak terjadi secara tiba-tiba pada nilai kritis induksi?

6. Turunkan rumus untuk menghitung muatan spesifik suatu elektron berdasarkan pergerakannya dalam magnetron.

Penentuan muatan elektron paling langsung dilakukan dalam percobaan R. Millikan, di mana muatan yang sangat kecil yang muncul pada partikel kecil diukur. Ide percobaan tersebut adalah sebagai berikut. Menurut konsep dasar teori elektronik, muatan suatu benda muncul sebagai akibat dari perubahan jumlah elektron yang terkandung di dalamnya (atau ion positif, yang muatannya sama dengan atau kelipatan muatan elektron. ). Akibatnya, muatan suatu benda harus berubah secara tiba-tiba dan, terlebih lagi, dalam bagian yang mengandung sejumlah muatan elektron bilangan bulat. Oleh karena itu, setelah menetapkan secara eksperimental sifat diskrit dari perubahan muatan listrik, seseorang dapat memperoleh konfirmasi keberadaan elektron dan menentukan muatan satu elektron (muatan dasar).

Jelas bahwa dalam percobaan seperti itu, muatan yang diukur harus sangat kecil dan hanya terdiri dari sejumlah kecil muatan elektron. Jika tidak, penambahan atau pengurangan satu elektron hanya akan menghasilkan persentase perubahan yang kecil pada muatan total dan oleh karena itu dapat dengan mudah luput dari perhatian pengamat karena kesalahan yang tidak dapat dihindari dalam pengukuran muatan.

Dalam percobaan ditemukan bahwa muatan partikel sebenarnya berubah dalam lompatan, dan perubahan muatan selalu merupakan kelipatan dari muatan akhir tertentu.

Diagram percobaan Millikan ditunjukkan pada Gambar. 249. Bagian utama dari perangkat ini adalah kapasitor pelat paralel yang dibuat dengan hati-hati, pelat-pelat tersebut dihubungkan ke sumber tegangan beberapa ribu volt. Tegangan antar pelat dapat bervariasi dan diukur secara akurat. Tetesan kecil minyak, yang diperoleh dengan menggunakan pistol semprot khusus, jatuh melalui lubang di pelat atas ke dalam ruang di antara pelat. Pergerakan tetesan minyak diamati melalui mikroskop. Kapasitor dibungkus dalam selubung pelindung, dijaga pada suhu konstan, melindungi tetesan dari arus konveksi udara.

Tetesan minyak bermuatan ketika disemprotkan, dan oleh karena itu ada dua gaya yang bekerja pada masing-masingnya: gaya resultan gravitasi dan gaya apung (Archimedean) dan gaya yang disebabkan oleh medan listrik.

ALIRAN ARUS LISTRIK MELALUI LOGAM

Konduktivitas elektronik logam Aliran arus melalui logam (konduktor jenis pertama) tidak disertai dengan perubahan kimia. Keadaan ini menunjukkan bahwa atom logam tidak berpindah dari satu bagian konduktor ke bagian lain ketika arus mengalir. Asumsi ini dibenarkan oleh eksperimen fisikawan Jerman Karl Viktor Eduard Rikke (1845 -1915). Rikke menyusun rantai yang mencakup tiga silinder yang ujungnya ditekan erat satu sama lain, dua silinder terluar terbuat dari tembaga dan yang di tengah adalah aluminium. Arus listrik dialirkan melalui silinder-silinder ini dalam waktu yang sangat lama (lebih dari satu tahun), sehingga jumlah listrik yang dialirkan mencapai nilai yang sangat besar (lebih dari 3.000.000 C). Kemudian melakukan analisis menyeluruh terhadap tempat kontak antara tembaga dan aluminium, Rikke tidak dapat mendeteksi jejak penetrasi logam yang satu ke logam lainnya. Jadi, ketika arus melewati logam, atom-atom logam tidak bergerak mengikuti arus.

Bagaimana perpindahan muatan terjadi ketika arus melewati logam?

Menurut konsep teori elektronik yang telah kita gunakan berulang kali, muatan negatif dan positif yang menyusun setiap atom berbeda secara signifikan satu sama lain. Muatan positif terikat pada atom itu sendiri dan dalam kondisi normal tidak dapat dipisahkan dari bagian utama atom (intinya). Muatan negatif - elektron, yang memiliki muatan dan massa tertentu, hampir 2000 kali lebih kecil dari massa atom paling ringan - hidrogen, relatif mudah dipisahkan dari atom; atom yang kehilangan elektron membentuk ion bermuatan positif. Dalam logam selalu terdapat sejumlah besar elektron “bebas” yang terpisah dari atom, yang berkeliaran di seluruh logam, berpindah dari satu ion ke ion lainnya. Elektron-elektron ini, di bawah pengaruh medan listrik, dengan mudah berpindah melalui logam. Ion membentuk kerangka logam, membentuk kisi kristalnya (lihat Volume I).

Salah satu fenomena paling meyakinkan yang mengungkapkan perbedaan antara muatan listrik positif dan negatif dalam suatu logam adalah efek fotolistrik yang disebutkan dalam § 9, yang menunjukkan bahwa elektron relatif mudah terlepas dari logam, sedangkan muatan positif terikat erat pada logam. substansi logam. Karena ketika arus mengalir, atom, dan muatan positif yang terkait dengannya, tidak bergerak sepanjang konduktor, elektron bebas harus dianggap sebagai pembawa listrik dalam logam. Konfirmasi langsung atas gagasan ini adalah eksperimen penting yang dilakukan pertama kali pada tahun 1912 oleh L. I. Mandelstam dan N. D. Papaleksi *), tetapi tidak dipublikasikan oleh mereka. Empat tahun kemudian (1916), R. C. Tolman dan T. D. Stewart mempublikasikan hasil eksperimennya yang ternyata mirip dengan eksperimen Mandelstam dan Papaleksi.

Saat menyiapkan eksperimen ini, kami melanjutkan dari pemikiran berikut. Jika terdapat muatan bebas pada suatu logam yang bermassa, maka muatan tersebut harus mematuhi hukum inersia (lihat Jilid I). Konduktor yang bergerak cepat, misalnya dari kiri ke kanan, merupakan kumpulan atom logam yang bergerak ke arah tersebut, yang membawa serta muatan bebas. Ketika konduktor seperti itu tiba-tiba berhenti, atom-atom yang termasuk dalam komposisinya berhenti; muatan bebas, karena inersia, harus terus bergerak dari kiri ke kanan hingga berbagai rintangan (tumbukan dengan atom yang berhenti) menghentikannya. Fenomena yang terjadi serupa dengan apa yang diamati ketika sebuah trem tiba-tiba berhenti, ketika benda-benda “lepas” dan orang-orang yang tidak terikat pada mobil terus bergerak maju secara inersia selama beberapa waktu.

Jadi, dalam waktu singkat setelah konduktor berhenti, muatan bebas di dalamnya akan bergerak ke satu arah. Namun pergerakan muatan ke arah tertentu merupakan arus listrik. Oleh karena itu, jika alasan kita benar, maka setelah konduktor berhenti secara tiba-tiba, kita akan mengharapkan munculnya arus jangka pendek di dalamnya. Arah arus ini akan memungkinkan kita menilai tanda muatan yang bergerak secara inersia; jika muatan positif bergerak dari kiri ke kanan, maka akan ditemukan arus yang arahnya dari kiri ke kanan; jika muatan negatif bergerak ke arah ini, maka arus harus diamati dari arah kanan ke kiri. Arus yang dihasilkan bergantung pada muatan dan kemampuan pembawanya untuk mempertahankan pergerakannya secara inersia selama kurang lebih lama, meskipun ada gangguan, yaitu pada massanya. Dengan demikian, percobaan ini tidak hanya memungkinkan untuk menguji asumsi keberadaan muatan bebas dalam logam, tetapi juga untuk menentukan muatan itu sendiri, tandanya, dan massa pembawanya (lebih tepatnya, rasio muatan terhadap massa). e/m).

Dalam implementasi praktis percobaan, ternyata lebih mudah menggunakan bukan gerakan translasi, tetapi gerakan rotasi konduktor. Diagram percobaan semacam itu ditunjukkan pada Gambar. 141. Pada sebuah kumparan yang di dalamnya tertanam dua poros poros yang diisolasi satu sama lain 00, spiral kawat bertulang /. Ujung spiral disolder ke kedua bagian sumbu dan menggunakan kontak geser 2 (“sikat”) dipasang pada galvanometer sensitif 3. Kumparan diputar dengan cepat dan kemudian tiba-tiba diperlambat. Percobaan sebenarnya mengungkapkan bahwa dalam hal ini timbul arus listrik di galvanometer. Arah arus ini menunjukkan bahwa muatan negatif bergerak secara inersia. Dengan mengukur muatan yang dibawa oleh arus jangka pendek ini, dimungkinkan untuk mengetahui rasio muatan bebas terhadap massa pembawanya. Rasio ini ternyata sama dengan e/m=l.8∙10 11 C/kg, yang bertepatan dengan nilai rasio elektron yang ditentukan dengan metode lain. Jadi, percobaan menunjukkan bahwa logam memiliki elektron bebas. Eksperimen ini adalah salah satu konfirmasi terpenting dari teori elektronik tentang logam. Arus listrik dalam logam adalah pergerakan elektron bebas yang teratur(berbeda dengan pergerakan termal acaknya, yang selalu ada dalam konduktor).

Struktur logam. Baik elektron bebas yang menyusun logam maupun ion-ionnya berada dalam gerakan acak terus menerus. Energi gerakan ini mewakili energi internal tubuh. Pergerakan ion-ion yang membentuk kisi kristal hanya terdiri dari getaran di sekitar posisi kesetimbangannya. Elektron bebas dapat berpindah ke seluruh volume logam.

Jika tidak ada medan listrik di dalam logam, maka pergerakan elektron menjadi kacau balau; pada setiap momen kecepatan elektron yang berbeda berbeda dan memiliki arah yang berbeda-beda (Gbr. 143, A). Elektron dalam pengertian ini mirip dengan gas biasa, oleh karena itu sering disebut gas elektron. Pergerakan termal seperti itu jelas tidak akan menimbulkan arus apa pun, karena, karena keacakan total, jumlah elektron yang akan bergerak dalam setiap arah sama banyaknya dengan dalam arah yang berlawanan, dan oleh karena itu muatan total yang ditransfer melalui area mana pun di dalam logam akan menjadi nol.

Namun masalahnya akan berubah jika kita menerapkan beda potensial pada ujung-ujung konduktor, yaitu kita menciptakan medan listrik di dalam logam. Misalkan kuat medan sama dengan E. Kemudian suatu gaya bekerja pada masing-masing elektron eE (mis- muatan elektron), diarahkan karena negativitas muatan elektron yang berlawanan dengan medan. Berkat ini, elektron akan menerima kecepatan tambahan yang diarahkan ke satu arah (Gbr. 143, b). Kini pergerakan elektron tidak lagi kacau balau: seiring dengan pergerakan termal yang acak, gas elektron akan bergerak secara keseluruhan, sehingga akan timbul arus listrik. Secara kiasan, kita dapat mengatakan bahwa arus dalam logam adalah “angin elektronik” yang disebabkan oleh medan luar. Penyebab hambatan listrik. Sekarang kita dapat memahami mengapa logam menolak arus listrik, oleh karena itu, untuk mempertahankan arus yang tahan lama, beda potensial pada ujung-ujung penghantar logam harus dijaga sepanjang waktu. Jika elektron tidak mengalami gangguan apa pun dalam pergerakannya, maka, jika digerakkan secara teratur, elektron akan bergerak secara inersia, tanpa aksi medan listrik, untuk waktu yang tidak terbatas. Namun kenyataannya elektron mengalami tumbukan dengan ion. Dalam hal ini, elektron-elektron yang mempunyai kecepatan gerak teratur tertentu sebelum tumbukan, akan memantul kembali setelah tumbukan ke arah yang sewenang-wenang dan acak, dan gerak teratur elektron (arus listrik) akan berubah menjadi gerak tidak teratur (termal): setelah medan listrik dihilangkan, arus akan segera hilang. Untuk memperoleh arus yang tahan lama, setelah setiap tumbukan elektron perlu digerakkan lagi dan lagi ke arah tertentu, dan untuk itu perlu adanya gaya yang bekerja pada elektron sepanjang waktu, yaitu ada gaya yang bekerja pada elektron sepanjang waktu. adalah medan listrik di dalam logam.

Semakin besar beda potensial yang dipertahankan pada ujung-ujung suatu penghantar logam, semakin kuat medan listrik di dalamnya, sehingga semakin besar pula arus dalam penghantar tersebut. Perhitungan yang tidak kami sajikan menunjukkan bahwa beda potensial dan kuat arus harus berbanding lurus satu sama lain (hukum Ohm).

Bergerak di bawah pengaruh medan listrik, elektron memperoleh sejumlah energi kinetik. Selama tumbukan, sebagian energi ini ditransfer ke ion kisi, menyebabkan ion kisi mengalami gerakan termal yang lebih intens. Jadi, dengan adanya arus, energi pergerakan elektron (arus) yang teratur terus-menerus diubah menjadi energi pergerakan ion dan elektron yang kacau, yang mewakili energi internal tubuh; yang berarti energi dalam logam bertambah. Hal ini menjelaskan pelepasan panas Joule.

Singkatnya, kita dapat mengatakan itu Alasan terjadinya hambatan listrik adalah elektron, ketika bergerak, mengalami tumbukan dengan ion logam. Tabrakan ini menghasilkan akibat yang sama seperti aksi gaya gesek konstan, yang cenderung memperlambat pergerakan elektron.

Perbedaan konduktivitas logam yang berbeda disebabkan oleh beberapa perbedaan dalam jumlah elektron bebas per satuan volume logam dan kondisi pergerakan elektron, yang mengakibatkan perbedaan rata-rata jalur bebas, yaitu jalur yang dilalui. rata-rata oleh sebuah elektron antara dua tumbukan dengan ion logam. Namun, perbedaan ini tidak terlalu signifikan, akibatnya konduktivitas beberapa logam berbeda dengan konduktivitas logam lainnya hanya beberapa puluh kali lipat; pada saat yang sama, konduktivitas bahkan pada konduktor logam yang paling buruk pun ratusan ribu kali lebih besar daripada konduktivitas elektrolit yang baik dan miliaran kali lebih besar daripada konduktivitas semikonduktor.

Fenomena superkonduktivitas berarti telah muncul kondisi pada logam di mana elektron tidak mengalami hambatan terhadap pergerakannya. Oleh karena itu, untuk mempertahankan arus yang panjang dalam superkonduktor, tidak diperlukan beda potensial. Cukup dengan menggerakkan elektron dengan semacam dorongan, dan arus dalam superkonduktor akan tetap ada bahkan setelah beda potensial dihilangkan.

Hasil kerja. Elektron bebas terletak di dalam logam dalam gerakan termal terus menerus. Namun, meskipun demikian, mereka tidak terbang terpisah dari logamnya. Hal ini menunjukkan bahwa ada beberapa gaya yang mencegahnya untuk lepas, yaitu elektron yang cenderung melampaui permukaan logam ditindaklanjuti di lapisan permukaan oleh medan listrik yang diarahkan dari logam ke luar (elektron negatif). Ini berarti bahwa ketika sebuah elektron melewati lapisan permukaan logam, gaya yang bekerja pada elektron di lapisan ini melakukan kerja negatif - A(di sini A>0), dan oleh karena itu, antara titik-titik di dalam dan di luar logam terdapat tegangan yang disebut tegangan keluaran.

Dari penjelasan di atas dapat disimpulkan bahwa untuk melepaskan elektron dari logam ke dalam ruang hampa, perlu dilakukan kerja positif A melawan gaya yang bekerja pada lapisan permukaan, yang disebut fungsi kerja. Nilai ini tergantung pada sifat logamnya.

Ada hubungan yang jelas antara fungsi kerja dan potensi keluaran

Di mana e- muatan elektron (lebih tepatnya, nilai absolut muatan elektron, sama dengan muatan dasar). Oleh karena itu, fungsi kerja biasanya ditulis dalam bentuk persamaan>.

Pekerjaan esr melawan gaya-gaya di lapisan permukaan, elektron dapat bekerja karena adanya cadangan energi kinetik. Jika energi kinetik lebih kecil dari fungsi kerja maka tidak akan mampu menembus lapisan permukaan dan akan tetap berada di dalam logam. Dengan demikian, kondisi di mana elektron dapat dipancarkan dari suatu logam mempunyai bentuk

Di Sini T- massa elektron, ay adalah komponen kecepatannya yang normal (tegak lurus terhadap permukaan), eu adalah fungsi kerjanya.

Pada suhu kamar, energi rata-rata gerak termal elektron dalam logam beberapa puluh kali lebih kecil dari fungsi kerja; Oleh karena itu, hampir semua arus listrik ditahan oleh medan yang ada pada lapisan permukaan di dalam logam.

Fungsi kerja biasanya diukur bukan dalam joule, tetapi dalam elektronvolt(eV). Satu elektronvolt adalah usaha yang dilakukan oleh gaya medan pada muatan yang sama dengan muatan elektron(yaitu di atas muatan dasar e), ketika tegangan satu volt melewatinya:Emisi elektron oleh benda pijar. Pergerakan termal elektron dalam logam bersifat acak, sehingga kecepatan masing-masing elektron dapat berbeda secara signifikan satu sama lain, seperti halnya molekul gas. Artinya di dalam logam akan selalu ada sejumlah elektron cepat yang dapat menembus permukaannya. Dengan kata lain, jika gambaran struktur logam yang kita terima benar, maka seharusnya terjadi “penguapan” elektron, serupa dengan penguapan cairan.

Namun, pada suhu kamar, kondisi (89.2) hanya terpenuhi untuk sebagian kecil elektron dalam logam, dan penguapan elektron sangat lemah sehingga tidak dapat dideteksi. Keadaan tersebut akan berubah jika logam dipanaskan sampai suhu yang sangat tinggi (1500-2000 °C). Dalam hal ini, kecepatan termal meningkat, jumlah elektron yang dipancarkan meningkat, dan penguapannya dapat dengan mudah diamati secara eksperimental. Sebuah lampu dapat digunakan untuk percobaan semacam itu L(Gbr. 144), mengandung, selain filamen KE(misalnya, tungsten), dan elektroda tambahan L. Udara dari lampu dipompa keluar dengan hati-hati agar tidak mempersulit fenomena yang melibatkan ion udara. Lampu dihubungkan dengan baterai £i dan galvanometer G sehingga terminal negatif aki dihubungkan dengan filamen.

Ketika filamen dingin, galvanometer tidak menunjukkan arus apa pun, karena tidak ada ion atau elektron antara katoda dan anoda yang dapat membawa muatan. Namun jika filamen dipanaskan menggunakan baterai tambahan B 2 dan secara bertahap meningkatkan arus filamen, kemudian ketika filamen menjadi putih-panas, muncul arus di sirkuit. Arus ini dibentuk oleh elektron yang menguap dari filamen, yang, di bawah pengaruh medan listrik yang diterapkan, menjauh dari filamen. KE ke elektroda A. Jumlah elektron yang dipancarkan dari satu satuan permukaan katoda panas sangat bergantung pada suhunya dan bahan pembuatnya (fungsi kerja). Oleh karena itu, arus yang diamati meningkat sangat cepat dengan meningkatnya suhu filamen.

Jika Anda menghubungkan kutub baterai B1 agar benang terhubung ke kutub positif, maka tidak akan ada arus pada rangkaian, seberapapun kita memanaskan benang. Hal ini terjadi karena medan listrik sekarang cenderung memindahkan elektron dari A ke K dan oleh karena itu mengembalikan elektron yang menguap kembali ke filamen. Eksperimen ini juga membuktikan bahwa hanya elektron negatif yang menguap dari logam, tetapi tidak ion positif, yang terikat kuat pada kisi kristal logam. Fenomena yang dijelaskan disebut emisi termionik, telah menemukan berbagai aplikasi penting.

Istilah ini memiliki arti lain, lihat Elektron (arti). "Electron 2" "Electron" adalah serangkaian empat satelit Bumi buatan Soviet yang diluncurkan pada tahun 1964. Tujuan... Wikipedia

Elektron- (Novosibirsk, Rusia) Kategori hotel: hotel bintang 3 Alamat: 2nd Krasnodonsky Lane ... Katalog hotel

- (simbol e, e), elemen pertama. h tsa ditemukan dalam fisika; materi. pembawa massa terkecil dan daya listrik terkecil. biaya di alam. E. komponen atom; jumlah mereka netral. atom sama dengan di. nomor, yaitu jumlah proton dalam inti. Muatan (e) dan massa...... Ensiklopedia fisik

Elektron- (Moskow, Rusia) Kategori hotel: hotel bintang 2 Alamat: Andropov Avenue 38 gedung 2 ... Katalog hotel

Elektron- (e, e) (dari bahasa Yunani elektron amber; zat yang mudah dialiri arus listrik melalui gesekan), partikel elementer stabil dengan muatan listrik negatif e=1,6´10 19 C dan massa 9´10 28 g. ke kelas lepton. Ditemukan oleh seorang fisikawan Inggris... ... Kamus Ensiklopedis Bergambar

- (ee), partikel elementer bermuatan negatif stabil dengan spin 1/2, massa kira-kira. 9.10 28 g dan momen magnet sama dengan magneton Bohr; milik lepton dan berpartisipasi dalam interaksi elektromagnetik, lemah dan gravitasi.... ...

- (sebutan e), PARTIKEL DASAR stabil dengan muatan negatif dan massa diam 9,1310 31 kg (yaitu 1/1836 massa PROTON). Elektron ditemukan pada tahun 1879 oleh fisikawan Inggris Joseph Thomson. Mereka bergerak di sekitar INTI,... ... Kamus ensiklopedis ilmiah dan teknis

Ada., jumlah sinonim: 12 delta elektron (1) lepton (7) mineral (5627) ... Kamus sinonim

Satelit Bumi buatan yang dibuat di Uni Soviet untuk mempelajari sabuk radiasi dan medan magnet bumi. Mereka diluncurkan berpasangan, satu di sepanjang lintasan di bawah dan yang lainnya di atas sabuk radiasi. Pada tahun 1964, 2 pasang Elektron diluncurkan... Kamus Ensiklopedis Besar

ELEKTRON, ELEKTRON, suami. (Yunani elektron kuning). 1. Partikel dengan muatan listrik negatif terkecil, membentuk atom yang bergabung dengan proton (fisik). Pergerakan elektron menimbulkan arus listrik. 2. hanya satuan. Paduan magnesium ringan,... ... Kamus Penjelasan Ushakov

ELEKTRON, a, m.(khusus). Partikel elementer dengan muatan listrik negatif paling kecil. Kamus penjelasan Ozhegov. S.I. Ozhegov, N.Yu. Shvedova. 1949 1992 … Kamus Penjelasan Ozhegov

Buku

• Elektron. Energi Luar Angkasa, Landau Lev Davidovich, Kitaigorodsky Alexander Isaakovich. Buku karya pemenang Hadiah Nobel Lev Landau dan Alexander Kitaigorodsky adalah teks yang membalikkan persepsi umum tentang dunia di sekitar kita. Kebanyakan dari kita selalu dihadapkan pada...
• Electron Space Energy, Landau L., Kitaigorodsky A.. Buku karya pemenang Hadiah Nobel Lev Landau dan Alexander Kitaigorodsky adalah teks yang menjungkirbalikkan gagasan filistin tentang dunia di sekitar kita. Kebanyakan dari kita, terus-menerus dihadapkan pada ...

Manual pendidikan dan metodologi pekerjaan laboratorium No.3.10k

dalam disiplin "Fisika"

Vladivostok

KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN PENGETAHUAN

Federasi Rusia

Institusi Pendidikan Otonomi Negara Federal untuk Pendidikan Profesi Tinggi

"Universitas Federal Timur Jauh (FEFU)

Sekolah Sains

Penentuan muatan spesifik suatu elektron

Alat peraga untuk pekerjaan laboratorium No.3.10

dalam disiplin "Fisika"

Vladivostok

Universitas Federal Timur Jauh

UDC 53.082.1; 531.76

Penentuan muatan spesifik suatu elektron: pendidikan dan metodologis manual untuk pekerjaan laboratorium No. 3.10k dalam disiplin "Fisika" / Universitas Federal Timur Jauh, Sekolah Ilmu Pengetahuan Alam / Komp. N.P. Dymchenko, O.V. Plotnikova. – Vladivostok: Dalnevost. federal universitas, 2014. - 13 hal.

Manual yang disiapkan oleh Departemen Fisika Umum Sekolah Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Federal Timur Jauh berisi materi teoretis singkat dengan topik "Gerak partikel bermuatan dalam medan listrik dan magnet" dan instruksi metodologis untuk melakukan pekerjaan laboratorium "Penentuan tentang muatan spesifik elektron” dalam disiplin ilmu “Fisika”. Manual ini ditujukan untuk siswa sekolah teknik FEFU.

UDC 53.082.1; 531.76

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

© Institusi Pendidikan Otonomi Negara Federal untuk Pendidikan Profesi Tinggi "FEFU", 2014

Pekerjaan laboratorium No. 3.10k Penentuan muatan spesifik elektron

Tujuan pekerjaan: mempelajari hukum gerak partikel bermuatan dalam medan listrik dan magnet, menentukan muatan spesifik suatu elektron e /M, menggunakan kumparan Helmholtz.

Perangkat: instalasi untuk mendemonstrasikan gaya Lorentz dan menentukan perbandingan muatan elektron terhadap massanya, segitiga siku-siku.

Teori singkat.

Muatan elektron spesifik e /M adalah salah satu konstanta fundamental, seperti kecepatan cahaya Dengan, konstanta Planck H, Konstanta Boltzmann k dan lain-lain. Ketika sebuah elektron bergerak dalam medan listrik dan magnet, lintasan elektron ditentukan oleh konfigurasi medan tersebut dan rasio muatan elektron terhadap massanya.

Jika suatu partikel bermuatan yang bergerak dipengaruhi oleh medan listrik dan magnet yang seragam, maka gaya yang bekerja pada partikel tersebut adalah:

di mana kecepatan partikel, Q– muatan listriknya, - kuat medan listrik, - induksi medan magnet.

Gaya ini disebut gaya Lorentz. Dari rumus tersebut jelas sama dengan jumlah vektor gaya-gaya yang bekerja dari medan listrik dan medan magnet.

Mari kita perhatikan gerak partikel bermuatan dengan kecepatan konstan dalam medan magnet seragam, asalkan tidak ada medan listrik. Dalam hal ini, hanya komponen magnetik gaya Lorentz yang bekerja pada partikel:

Arah gaya ini bergantung pada tanda muatan dan dapat ditentukan dengan aturan sekrup kanan (aturan tangan kiri), Gambar. 1.

Nilai absolut gaya Lorentz adalah:

dimana α adalah sudut antara vektor kecepatan partikel dan induksi medan magnet.

Jika suatu partikel bergerak dengan kecepatan yang diarahkan sepanjang garis induksi magnet, maka tidak ada gaya yang bekerja padanya (F = 0), percepatan partikel akan sama dengan 0 dan geraknya seragam.

Jika kecepatan suatu partikel diarahkan tegak lurus terhadap garis induksi magnet, maka partikel tersebut akan berada di bawah pengaruh gaya yang besarnya konstan: diarahkan tegak lurus terhadap kecepatan, dan hanya memberikan percepatan normal (sentripetal) pada partikel. Modul kecepatan tidak berubah dalam hal ini. Jelaskan mengapa? Akibatnya, partikel tersebut akan bergerak melingkar yang jari-jarinya dapat dicari berdasarkan hukum ke-2 Newton:

Periode orbit partikel:

Dari persamaan yang dihasilkan jelas bahwa periode revolusi suatu partikel dalam medan magnet seragam tidak bergantung pada kecepatan partikel dan berbanding terbalik dengan muatan spesifiknya.

Dengan diketahuinya jari-jari lintasan partikel, dari persamaan (4) kita dapat mencari kecepatan partikel:

Jika kecepatan partikel bermuatan diarahkan pada sudut terhadap vektor induksi magnet, maka pergerakannya dapat direpresentasikan sebagai superposisi dua gerakan:

Akibat penjumlahan dua gerakan tersebut, terjadi gerakan spiral yang sumbunya sejajar dengan garis medan magnet (Gbr. 2).

Jarak H jarak antara dua putaran heliks terdekat disebut pitch. Nada heliks adalah:

Dalam pekerjaan laboratorium ini, pergerakan elektron dalam medan magnet dipertimbangkan, dan semua hubungan yang dihasilkan digunakan untuk menggambarkan gerakan ini.

Beras. 2. Lintasan partikel bermuatan yang terbang membentuk sudut terhadap garis gaya medan magnet seragam. R – radius, h – pitch heliks.

Setelah melewati beda potensial percepatan U, elektron memperoleh kecepatan , yang nilainya dapat ditentukan dari persamaan kerja medan listrik dan energi kinetik elektron (hukum kekekalan energi ditulis untuk non- -kasus relativistik):

dimana adalah muatan elektron (modulo), adalah massa elektron.

Dengan menggunakan ekspresi (6), kita mencari kecepatan elektron:

Mengganti (9) ke (8) dan menyatakan muatan elektron spesifik, kita memperoleh:

Pengaturan eksperimen

Muatan elektron spesifik ditentukan menggunakan pengaturan yang ditunjukkan pada Gambar. 3. Elemen utama instalasi adalah: tabung sinar katoda 7, sistem kumparan Helmholtz 11, yang menciptakan medan magnet seragam di seluruh volume yang dicakup oleh kumparan, dan elemen kontrol yang ditunjukkan pada Gambar. 3.

Beras. 3. Instalasi untuk menentukan muatan spesifik suatu elektron.

1 – Tombol hidup/mati untuk perangkat: 2 – sakelar tiga posisi, digunakan untuk mengubah arah arus magnetisasi pada kumparan Helmholtz 11 “searah jarum jam”, “mati”, “berlawanan arah jarum jam”; 3 – kenop untuk mengatur arus magnetisasi, arus diukur menggunakan ammeter yang terletak di panel depan instalasi; 4 – kenop untuk mengatur tegangan percepatan, pembacaannya dilakukan menggunakan voltmeter yang terletak di panel depan instalasi; 5 – saklar, memiliki tiga posisi, in Untuk percobaan ini, harus dalam posisi “mati”, 6 – pegangan pengatur medan elektrostatik, tidak digunakan dalam percobaan ini dan harus berada di posisi paling kiri; 7 – tabung sinar katoda; 8, 10 alat untuk mengukur diameter berkas elektron; 9 – jejak berkas elektron.

Kumparan Helmholtz adalah suatu sistem dua kumparan tipis yang terletak secara koaksial dengan jarak antara pusat kumparan sama dengan jari-jarinya. Ketebalan kumparan jauh lebih kecil dari diameter rata-ratanya. Dengan geometri susunan kumparan ini, induksi medan magnet pada seluruh volume antar kumparan hampir sama. Vektor induksi medan magnet kumparan Helmholtz diarahkan sepanjang sumbu kedua kumparan menuju pengamat atau menjauhi pengamat, tergantung pada arah arus pada kumparan Helmholtz. Arah arus dialihkan menggunakan sakelar sakelar 2, Gambar. 3. Tabung sinar katoda 7 terletak di wilayah tengah medan yang diciptakan oleh kumparan ini, Gambar. 3.

Induksi medan magnet B di dalam sistem cincin dapat dihitung berdasarkan hukum Biot-Savart-Laplace dan prinsip superposisi medan yang diciptakan oleh dua cincin Helmholtz. Perhitungan ini memberikan persamaan induksi medan magnet:

dimana adalah konstanta magnet, N = jumlah lilitan kedua kumparan, R adalah jari-jari rata-rata kumparan, I adalah kuat arus pada kumparan Helmholtz.

Dengan memperhatikan (11), rumus (10) akan berbentuk:

di mana k menunjukkan ekspresi: . Mengganti nilai konstanta ke dalam rumus ini μ HAI dan nilai parameter N dan R kumparan Helmholtz instalasi ini, akhirnya kita peroleh ekspresi berikut untuk rumus (12):

Perintah kerja

Unit dipersiapkan untuk pengoperasian; tidak diperbolehkan memutar tabung sinar katoda, atau memutar atau mengganti tombol lain selain yang ditunjukkan dalam petunjuk ini. Waktu percobaan berkelanjutan tidak boleh lebih dari 45 menit.Beralih 5, gbr. 3, harus dalam posisi "cacat". dan dalam percobaan ini posisinyatidak seharusnya berubah. Kami memilih arus magnetisasi dalam 1 - 2 A, y Kami mengatur tegangan percepatan dalam 150 – 200 V. Sebelum mematikan perangkat, gunakan kenop pengatur arus 2 dan tegangan percepatan 4, Gambar. 3 belok ke paling kiri.

Beras. 4 Berkas elektron tanpa adanya medan magnet. Untuk memvisualisasikan berkas elektron, sejumlah kecil gas inert diisi ke dalam tabung sinar katoda yang telah dievakuasi sebelumnya. Akibat tumbukan antara elektron dan atom gas mulia, atom gas menjadi tereksitasi dan kemudian memancarkan cahaya kehijauan, sehingga menunjukkan jalur elektron.

Beras. 5. Pemandangan berkas elektron dalam medan magnet yang ditimbulkan oleh medan magnet kumparan Helmholtz.

Prosedur pengukuran

Seperti dapat dilihat dari rumus kerja (12), untuk secara eksperimental menentukan muatan spesifik suatu elektron, tegangan percepatan harus diukur kamu, magnetisasi kekuatan arus SAYA dan jari-jari cincin elektron R. Kami mengukur tegangan percepatan dan arus magnetisasi menggunakan voltmeter dan ammeter yang terletak di panel depan instalasi. Kita mengukur jari-jari cincin dengan mengukur diameter cincin menggunakan penggaris pengukur 10, Gambar. 3. Untuk meningkatkan keakuratan pengukuran jari-jari cincin elektronik, kami merekomendasikan urutan tindakan berikut. Untuk mengukur penggaris 3, gbr. 6, tempelkan segitiga siku-siku 2 pada salah satu kaki, lalu gerakkan penglihatan 4 dan segitiga 2 dan amati dengan mata posisi tepi kanan ring sepanjang kaki lainnya. Segera setelah tepi cincin elektronik, jendela bidik, dan mata pengamat berada pada garis yang sama, kita mengukur koordinat tepi cincin tersebut. Kemudian kita menghitung tepi kiri berkas elektron dengan cara yang sama. Perbedaan antara koordinat ini akan memberikan nilai diameter cincin elektron, sesuai dengan nilai tegangan percepatan yang diberikan dan kekuatan arus magnetisasi pada cincin Helmholtz. Prosedur ini mengurangi kesalahan pengukuran diameter cincin yang terkait dengan paralaks, yaitu perubahan posisi jendela bidik ketika mata pengamat bergeser ke arah tegak lurus garis pandang.

Setelah menguasai teknik pembacaan yang diperlukan, Anda harus melanjutkan ke percobaan utama. Kami mengatur arus magnetisasi menjadi 1,50 A, mengukur diameter cincin pada 3 tegangan percepatan yang berbeda: 150, 175, 200 V. Kemudian kami mengatur tegangan percepatan menjadi 175 V dan mengukur diameter cincin pada tiga nilai arus magnetisasi : 1,00 A, 1,50 A, 2,00 A. Hasil pengukuran dimasukkan ke dalam tabel yang telah disiapkan. Pembacaan yang ditunjukkan harus dilakukan dengan ketelitian setengah dari nilai pembagian alat ukur

Tabel No.1

Tabel data eksperimen

№ hal/hal	Kekuatan saat ini(Saya±∆Saya)	Mempercepat tegangan(kamu±∆ kamu)	Diameter cincin(D±∆ D)	Jari-jari cincin(R±∆ R)	Biaya khususe/m e
				m∙10 -3	C/kg

Pengolahan hasil percobaan.

,

dimana . – kesalahan mutlak Saya pengukuran muatan spesifik, adalah koefisien Student, n adalah jumlah pengukuran, dalam kasus kami dipilih 6 pengukuran, α adalah koefisien reliabilitas Student. Dalam pengukuran laboratorium, disarankan untuk mengaturnya menjadi 95%.

Hitung kesalahan relatif ε dari muatan spesifik elektron menggunakan rumus:

Tuliskan hasil akhirnya dan bandingkan dengan nilai tabel muatan spesifik elektron.

Saat ini, muatan elektron - semua orang tahu kata-kata ini.

Jadi apa itu listrik, bagaimana dihasilkan dan disalurkan? Menjawab pertanyaan-pertanyaan ini tidaklah mudah. Untuk melakukan ini, Anda perlu mengenal sejumlah besar fenomena yang disebut kelistrikan. Mari kita bahas dulu asal usul kata “listrik”.

Bahkan ilmuwan Yunani kuno menemukan bahwa setelah menggosok benda yang terbuat dari amber, benda cahaya tertarik padanya. Amber dalam bahasa Yunani berarti “elektron”; Dari kata inilah nama “listrik” berasal.

Pada paruh kedua abad ke-16, ilmuwan Inggris Gilbert menemukan bahwa tidak hanya amber yang memiliki khasiat menarik benda cahaya. Banyak zat, seperti resin dan kaca, juga memperoleh sifat ini melalui gesekan. Fenomena ini disebut elektrifikasi. Suatu zat yang memperoleh sifat ini melalui gesekan disebut teraliri listrik.

Para ilmuwan menjelaskan elektrifikasi suatu benda dengan munculnya listrik atau muatan listrik pada benda tersebut.

Agar tubuh tersengat listrik, tidak perlu digosok; Anda dapat, misalnya, menyentuhnya dengan benda apa pun yang sebelumnya dialiri listrik. Jadi, pengalaman menunjukkan bahwa benda yang dialiri listrik akan tolak-menolak atau tarik-menarik. Berdasarkan hal ini, kami sampai pada kesimpulan bahwa ada berbagai jenis muatan listrik. Ini adalah muatan yang berlawanan satu sama lain.

Beberapa dari muatan ini secara kondisional disebut positif, dan lainnya disebut negatif. Pengamatan tentang bagaimana benda-benda yang dialiri listrik berinteraksi memungkinkan untuk menetapkan bahwa muatan sejenis akan tolak menolak, dan muatan yang berbeda akan tarik menarik.

Pertanyaan tentang apa itu muatan listrik telah menjadi perhatian para ilmuwan sejak lama. Pada mulanya diasumsikan bahwa fenomena kelistrikan disebabkan oleh suatu fluida listrik yang tidak mempunyai berat. Beberapa ilmuwan berasumsi bahwa setiap benda memiliki dua cairan listrik: positif dan negatif, dan kelebihan salah satu cairan membentuk elektrifikasi positif pada tubuh, dan kelebihan cairan lainnya membentuk elektrifikasi positif. Jika keduanya hadir dalam jumlah yang sama, maka aksi kedua cairan tersebut akan saling menghancurkan. Dalam hal ini, tubuh menjadi tidak bermuatan. Ilmuwan lain percaya bahwa hanya ada satu cairan listrik, yang terkandung dalam jumlah tertentu di setiap benda tak bermuatan. Kelebihannya dalam tubuh membentuk elektrifikasi positif, dan kekurangannya membentuk elektrifikasi negatif. Namun, secara bertahap analisis fakta eksperimental baru memaksa kita untuk meninggalkan hipotesis tentang fluida listrik.

Dengan demikian, ditemukan bahwa listrik memiliki struktur atom, yaitu. ia dapat dibagi menjadi beberapa bagian, yang masing-masing mewakili apa yang disebut muatan listrik elementer. Kesimpulan ini dapat dicapai, di satu sisi, dengan mempelajari aliran listrik melalui larutan garam dan asam, dan kemudian dengan mempelajari listrik dalam gas. Dan terakhir, pengalaman menunjukkan bahwa muatan listrik dasar dibawa oleh partikel terkecil suatu materi.

Eksperimen yang dilakukan pada akhir abad ke-19 oleh fisikawan Inggris Thomson memungkinkan untuk menemukan partikel materi terpisah yang memiliki muatan listrik terkecil, dan kemudian nilainya dapat diukur.

Jadi, partikel terkecil suatu materi yang mempunyai muatan dasar negatif disebut elektron.

Muatan listrik suatu elektron adalah salah satu sifat terpenting yang tidak dapat dipisahkan.

Massanya m = 9,1˖10⁻²⁸ g.

Muatan elektron e = - 4,8˖10⁻¹⁰ satuan.

Elektron adalah salah satu partikel yang merupakan bagian dari setiap zat. Zat terdiri dari atom, termasuk inti bermuatan positif dan elektron yang bergerak mengelilinginya. Muatan negatif suatu elektron sama persis pada zat apa pun, tetapi jumlah dan distribusinya di sekitar inti berbeda. Ketika sebuah atom berada dalam keadaan netral, muatan positifnya sama dengan jumlah muatan negatif semua elektron yang mengorbitnya.

Kebetulan sebuah atom kehilangan elektron; dalam hal ini muatan positif inti menjadi lebih besar dari jumlah muatan elektron yang tersisa, maka seluruh atom akan menjadi bermuatan positif. Jika suatu benda bermuatan negatif, berarti terdapat kelebihan elektron di dalamnya.

Pergerakan elektron menentukan redistribusi muatan listrik dalam zat, elektrifikasi benda positif dan negatif, dan fenomena lainnya.