전자(기본 입자). 전자의 비전하 결정 전자 전하 계수의 현대적인 값은 다음과 같습니다.

작업의 목표: 자기장에 놓인 다이오드에서 전자의 움직임을 통해 전자의 비전하를 결정합니다.

장비: 다이오드 및 코일, 전원 공급 장치, 전압계, 밀리암페어, 전류계가 포함된 보드.

이론적 소개

비전하는 기본 입자의 특성으로, 질량에 대한 전하의 비율과 같습니다. 일부 실험에서는 전하와 질량을 동시에 측정하는 것이 불가능하지만 비전하를 결정하는 것은 가능하며 그 값을 통해 입자를 식별할 수 있습니다. 전자의 비전하는 예를 들어 원통형 마그네트론 방법으로 결정될 수 있습니다.

마그네트론은 전자의 움직임이 자기장에 의해 제어되는 전자관입니다. 마그네트론은 무선 공학에서 초고주파 진동을 생성하는 데 사용됩니다. 작동 중에 전자관은 전류와 함께 코일의 자기장에 배치되는 1Ts 11P 다이오드인 마그네트론으로 사용됩니다.

열이온 방출 현상으로 인해 가열된 음극에서 방출된 전자는 전기장의 영향을 받아 양극을 향해 이동합니다. 전기장의 세기는 음극에서 최대이고, 나머지 공간에서는 전기장이 약하다. 따라서 전자는 음극 근처에서 가속된 다음 양극을 향해 반경 방향으로 거의 일정한 속도로 이동합니다. 전자 속도 V에너지 보존 법칙에 의해 결정될 수 있다. 음극에서 양극으로 이동할 때 전기장 내 전자의 위치 에너지는 운동 에너지로 변환됩니다.

어디 이자형,중 - 전자의 전하와 질량 유– 다이오드의 음극과 양극 사이의 전위차.

자기장을 켜면 , 다이오드의 축에 평행하게 향하게 되면(즉, 속도 벡터에 수직임을 의미) 로렌츠 힘이 전자에 작용하기 시작합니다.

, (2)

어디 비– 자기장 유도.

힘의 방향은 왼손 법칙에 의해 결정될 수 있습니다. 네 손가락이 빠른 속도로 뻗어 있고 힘의 선이 손바닥에 들어가면 구부러진 엄지 손가락이 양전하에 대한 힘의 방향을 표시합니다. 음전자의 경우 그 반대입니다. 로렌츠 힘은 속도 벡터에 수직이므로 구심력입니다. 따라서 전자 궤적은 원호입니다. 뉴턴의 제2법칙에 따르면 전자 질량과 구심 가속도의 곱은 로렌츠 힘과 같습니다.
따라서 궤적의 곡률 반경은 다음과 같습니다.

. (3)

볼 수 있듯이 자기장 유도가 증가하면 호의 곡률 반경이 감소합니다(그림 1). 임계라고 불리는 특정 자기장 유도 값에서 안에 cr, 전자의 궤도는 양극에 닿는 원으로 변합니다. 임계 궤도 반경은 양극 반경의 절반과 같습니다. 아르 자형= 아르 자형/ 2. 자기장이 더 증가하면 궤도 반경은 더 감소하고 전자 궤적은 양극에 닿지 않습니다. 전자는 더 이상 양극에 도달하지 않으며 양극 전류는 0으로 떨어집니다.

실제로 전자의 속도는 서로의 상호 작용으로 인해 다소 다르며 모든 전자가 음극에 수직으로 이동하는 것은 아닙니다. 따라서 양극 전류의 감소는 점진적입니다. 먼저 느린 전자가 양극에 도달하지 못하고 그 다음에는 더 빠른 전자가 도달합니다. 방정식 (1)에서 얻은 제곱평균제곱근 속도는 그래프에서 가장 가파른 하락 구간에 해당합니다(그림 2).

다음을 고려하여 방정식 (1)과 (3)을 함께 풀기 아르 자형= 아르 자형/ 2, 전자의 비전하를 계산하는 공식을 얻습니다.

. (4)

코일 중심의 자기장 유도는 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다.

, (5)

G 드 = 4∙10 -7 G/m – 자기 상수; N- 코일 권수; 제이 cr– 임계 전류 강도; 엘 – 코일 길이; β – 코일의 중심과 그 축에서 바깥쪽으로 향하는 방향 사이의 각도입니다.

특정 전자 전하의 실험적 측정은 실험실 환경에서 수행됩니다. 이는 1) 코일 내부에 전자관이 배치된 모듈; 2) 코일의 전류를 측정하기 위한 전류계와 전압계가 있는 전원 공급 장치, 3) 양극 전류를 측정하기 위한 밀리암페어계(그림 3). 모듈과 전원 공급 장치는 케이블로 연결됩니다.

작업 완료

1. 밀리암미터 측정 한계를 20mA로 설정합니다. 모듈과 "PA" 소켓의 연결을 확인하십시오. 표시기에 0이 표시되어야 합니다.

2. 전원 공급 장치를 220V 네트워크에 연결합니다. 가변 저항기를 사용하여 양극 전압을 코일을 통과하는 최소 전류(0.5A)인 12~120V 범위로 설정합니다. 음극을 가열한 후 양극 회로에 전류가 나타나 밀리암페어 단위로 기록됩니다.

0.1A(전류계 눈금의 한 눈금)마다 0.5A에서 1.5A 범위로 코일을 통과하는 전류를 변경하면서 양극 전류 측정을 반복합니다. 결과를 표에 기록하십시오. 1.

1 번 테이블

3. 표에 글을 쓰세요. 2개의 설치 매개변수 및 양극 전압. 밀리암페어와 전원 공급 장치를 끄십시오.

표 2

4. 양극 전류 강도의 의존성 그래프를 그립니다. 제이 ko 코일의 전류에 대해 제이 고양이 . 차트의 크기는 페이지의 절반 이상입니다. 축에 균일한 스케일을 나타냅니다. 점의 편차가 최소화되도록 점 주위에 부드러운 곡선을 그립니다.

5. 그래프에서 코일의 임계 전류의 평균값을 결정합니다. 제이 cr양극 전류의 가장 가파른 감소 부분 중앙의 가로좌표로 표시됩니다(그림 2). 표에 기록합니다. 2.

7. 공식을 사용하여 특정 전하 측정의 체계적인 오류를 추정합니다.

, (6)

오류는 주로 임계 전류 결정의 부정확성으로 인해 발생한다고 가정합니다. 2를 수락  제이 cr가파른 하락 구간의 너비와 같습니다(그림 2).

9. 결론을 도출합니다. 결과를 기록하세요
. 특정 전자 전하의 표 값과 비교
Kl/kg.

통제 질문

1. 입자의 비전하를 정의합니다. 어느 입자가 최대 비전하를 가지고 있습니까?

2. 로렌츠 힘의 공식을 적어보세요. 로렌츠 힘의 방향을 결정하는 방법은 무엇입니까? 예를 들어 설명하세요.

3. 횡자기장에서 전자의 운동에 대한 뉴턴의 제2법칙 방정식을 적어보세요.

4. 자기장 유도가 증가함에 따라 다이오드의 음극과 양극 사이의 전자 궤적이 변화하는 이유를 설명하시오. 비판적 귀납법을 정의하십시오.

5. 자기장 유도가 증가함에 따라 양극 전류 세기의 의존성을 설명하십시오. 유도의 임계값에서 전류의 강도 감소가 갑자기 발생하지 않는 이유는 무엇입니까?

6. 마그네트론 내 전자의 움직임을 기반으로 전자의 비전하를 계산하는 공식을 도출하십시오.

전자 전하의 가장 직접적인 결정은 R. Millikan의 실험에서 이루어졌으며, 이 실험에서는 작은 입자에 나타나는 매우 작은 전하가 측정되었습니다. 이 실험의 아이디어는 다음과 같습니다. 전자 이론의 기본 개념에 따르면, 신체의 전하는 포함된 전자 수(또는 전하가 전자 전하의 배수와 같거나 그 배수인 양이온)의 변화로 인해 발생합니다. ). 결과적으로 모든 신체의 전하는 급격하게만 변해야 하며, 또한 정수의 전자 전하를 포함하는 부분에서만 변해야 합니다. 따라서 전하 변화의 이산적 특성을 실험적으로 확립함으로써 전자의 존재를 확인하고 전자 하나의 전하(기본 전하)를 결정할 수 있습니다.

이러한 실험에서 측정된 전하는 매우 작아야 하며 소수의 전자 전하로만 구성되어야 한다는 것이 분명합니다. 그렇지 않으면 전자 하나를 추가하거나 빼면 전체 전하의 작은 백분율 변화만 발생하므로 전하 측정의 불가피한 오류로 인해 관찰자를 쉽게 벗어날 수 있습니다.

실험에서 입자의 전하가 실제로 점프할 때 변하고 전하의 변화는 항상 특정 최종 전하의 배수라는 사실이 밝혀졌습니다.

Millikan의 실험 다이어그램은 그림 1에 나와 있습니다. 249. 장치의 주요 부분은 세심하게 제작된 평행판 축전기이며, 그 축전기의 판은 수천 볼트의 전압원에 연결되어 있습니다. 플레이트 사이의 전압은 다양하고 정확하게 측정될 수 있습니다. 특수 스프레이 건을 사용하여 얻은 작은 오일 방울이 상단 플레이트의 구멍을 통해 플레이트 사이의 공간으로 떨어집니다. 개별 기름 방울의 움직임을 현미경을 통해 관찰합니다. 커패시터는 보호 케이스에 둘러싸여 있으며 일정한 온도로 유지되어 공기 대류로부터 물방울을 보호합니다.

기름 방울은 분사될 때 전하를 띠므로 각각에 두 가지 힘, 즉 중력과 부력(아르키메데스)의 합성력, 그리고 전기장에 의해 발생하는 힘이 작용합니다.

금속을 통한 전류의 통과

전자 전도성궤조 금속(제1종 도체)을 통한 전류의 통과에는 화학적 변화가 수반되지 않습니다. 이러한 상황은 전류가 흐를 때 금속 원자가 도체의 한 부분에서 다른 부분으로 이동하지 않는다는 것을 의미합니다. 이 가정은 독일 물리학자 Karl Viktor Eduard Rikke(1845-1915)의 실험에 의해 확인되었습니다. Rikke는 끝 부분이 서로 단단히 밀착된 3개의 원통을 포함하는 체인을 구성했습니다. 가장 바깥쪽 두 개의 원통은 구리이고 중간 원통은 알루미늄이었습니다. 이 실린더를 통해 매우 오랜 시간(1년 이상) 전류가 흐르게 되었고, 이로 인해 흘러나온 총 전기량이 엄청난 값(3,000,000C 이상)에 이르렀습니다. 그런 다음 구리와 알루미늄 사이의 접촉 위치를 철저히 분석한 결과 Rikke는 한 금속이 다른 금속에 침투한 흔적을 발견할 수 없었습니다. 따라서 전류가 금속을 통과할 때 금속 원자는 전류를 따라 움직이지 않습니다.

전류가 금속을 통과할 때 전하 이동은 어떻게 발생합니까?

우리가 반복적으로 사용해 온 전자 이론의 개념에 따르면, 각 원자를 구성하는 음전하와 양전하는 서로 크게 다릅니다. 양전하는 원자 자체와 연관되어 있으며 정상적인 조건에서는 원자의 주요 부분(핵)과 분리될 수 없습니다. 음전하 - 가장 가벼운 원자인 수소의 질량보다 거의 2000배 적은 특정 전하와 질량을 갖는 전자는 원자에서 상대적으로 쉽게 분리될 수 있습니다. 전자를 잃은 원자는 양전하를 띤 이온을 형성합니다. 금속에는 항상 원자로부터 분리된 상당한 수의 "자유" 전자가 있으며, 이는 금속 전체를 돌아다니며 한 이온에서 다른 이온으로 전달됩니다. 이러한 전자는 전기장의 영향을 받아 금속을 통해 쉽게 이동합니다. 이온은 금속의 골격을 구성하여 결정 격자를 형성합니다(제1권 참조).

금속의 양전하와 음전하의 차이를 보여주는 가장 설득력 있는 현상 중 하나는 § 9에서 언급한 광전 효과입니다. 이는 전자가 금속에서 상대적으로 쉽게 찢어지는 반면 양전하는 금속에 단단히 결합되어 있음을 보여줍니다. 금속의 물질. 전류가 흐를 때 원자 및 그에 따른 양전하는 도체를 따라 움직이지 않기 때문에 자유 전자는 금속 내 전기 운반자로 간주되어야 합니다. 이러한 아이디어에 대한 직접적인 확인은 1912년 L. I. Mandelstam과 N. D. Papaleksi *)에 의해 처음으로 수행되었지만 출판되지는 않은 중요한 실험이었습니다. 4년 후(1916), R. C. Tolman과 T. D. Stewart는 Mandelstam과 Papaleksi의 실험과 유사한 것으로 밝혀진 그들의 실험 결과를 발표했습니다.

이러한 실험을 설정할 때 우리는 다음과 같은 생각에서 진행했습니다. 질량이 있는 금속에 자유 전하가 있다면 관성의 법칙을 따라야 합니다(제1권 참조). 예를 들어 왼쪽에서 오른쪽으로 빠르게 움직이는 도체는 이 방향으로 움직이는 금속 원자의 집합체이며 자유 전하를 동반합니다. 그러한 도체가 갑자기 멈추면 그 구성에 포함된 원자도 멈춥니다. 관성에 의해 자유 전하는 다양한 장애물(정지된 원자와의 충돌)이 멈출 때까지 왼쪽에서 오른쪽으로 계속 이동해야 합니다. 발생하는 현상은 전차가 갑자기 정지할 때 관찰되는 것과 유사합니다. 즉, "느슨한" 물체와 차량에 부착되지 않은 사람이 관성에 의해 한동안 계속해서 전진할 때 관찰되는 것과 유사합니다.

따라서 도체가 멈춘 후 짧은 시간 동안 그 안의 자유 전하는 한 방향으로 이동해야 합니다. 그러나 특정 방향으로의 전하 이동은 전류입니다. 결과적으로, 우리의 추론이 옳다면 도체가 갑자기 정지한 후에 도체에 단기 전류가 나타날 것으로 예상해야 합니다. 이 전류의 방향을 통해 우리는 관성에 의해 이동한 전하의 부호를 판단할 수 있습니다. 양전하가 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하면 전류가 왼쪽에서 오른쪽으로 향하는 것으로 나타납니다. 음전하가 이 방향으로 이동하면 전류가 오른쪽에서 왼쪽 방향으로 관찰되어야 합니다. 결과적인 전류는 간섭, 즉 질량에도 불구하고 다소 오랜 시간 동안 관성에 의해 이동을 유지하는 캐리어의 능력과 전하에 따라 달라집니다. 따라서 이 실험을 통해 금속에 자유 전하가 존재한다는 가정을 테스트할 수 있을 뿐만 아니라 전하 자체, 부호 및 캐리어의 질량(보다 정확하게는 전하 대 질량 비율)을 확인할 수 있습니다. 여자 이름).

실험의 실제 구현에서는 병진 운동이 아닌 도체의 회전 운동을 사용하는 것이 더 편리한 것으로 나타났습니다. 그러한 실험의 다이어그램이 그림 1에 나와 있습니다. 141. 서로 분리된 두 개의 축축이 내장된 코일에 대하여 00, 강화 와이어 나선형 /. 나선형의 끝은 축의 양쪽 절반에 슬라이딩 접점을 사용하여 납땜됩니다. 2 (“브러시”)는 민감한 검류계에 부착되어 있습니다. 3. 코일은 빠른 회전으로 설정되었다가 갑자기 속도가 느려졌습니다. 실험 결과 실제로 이 경우 검류계에 전류가 발생하는 것으로 나타났습니다. 이 전류의 방향은 관성에 의해 음전하가 이동하고 있음을 보여줍니다. 이 단기 전류에 의해 운반되는 전하를 측정함으로써 운반체의 질량에 대한 자유 전하의 비율을 찾는 것이 가능했습니다. 이 비율은 e/m=1.8∙10 11 C/kg과 동일한 것으로 나타났으며, 이는 다른 방법으로 결정된 전자에 대한 이 비율의 값과 잘 일치합니다. 따라서 실험에 따르면 금속에는 자유 전자가 있습니다. 이 실험은 금속의 전자 이론에 대한 가장 중요한 확인 중 하나입니다. 금속의 전류는 자유전자의 규칙적인 움직임이다(도체에 항상 존재하는 무작위 열 이동과는 대조적입니다.)

금속의 구조. 금속과 그 이온을 구성하는 자유 전자는 모두 연속적으로 무작위로 움직입니다. 이 움직임의 에너지는 신체의 내부 에너지를 나타냅니다. 결정 격자를 형성하는 이온의 움직임은 평형 위치 주변의 진동으로만 구성됩니다. 자유전자는 금속의 전체 부피를 통해 이동할 수 있습니다.

금속 내부에 전기장이 없으면 전자의 움직임은 완전히 혼란스러워집니다. 매 순간 서로 다른 전자의 속도는 다르며 모든 종류의 방향을 갖습니다(그림 143, ㅏ).이런 의미에서 전자는 일반 가스와 유사하므로 종종 전자 가스라고 불립니다. 완전한 무작위성으로 인해 많은 전자가 반대 방향과 마찬가지로 각 방향으로 이동하므로 금속 내부의 모든 영역을 통해 전달되는 총 전하는 0이 되기 때문에 이러한 열 이동은 분명히 전류를 발생시키지 않습니다.

그러나 도체의 끝 부분에 전위차를 적용하면, 즉 금속 내부에 전기장이 생성되면 문제가 달라집니다. 전계 강도를 E와 동일하게 만듭니다. 그러면 각 전자에 힘이 작용합니다. eE(e- 전자 전하), 전계 반대 전자 전하의 부정성으로 인해 방향이 지정됩니다. 덕분에 전자는 한 방향으로 향하는 추가 속도를 받게 됩니다(그림 143, b). 이제 전자의 움직임은 더 이상 완전히 혼란스럽지 않을 것입니다. 무작위 열 움직임과 함께 전자 가스가 전체적으로 움직이므로 전류가 발생합니다. 비유적으로 말하면, 금속의 전류는 외부 장에 의해 발생하는 "전자풍"이라고 말할 수 있습니다. 전기저항의 원인. 이제 우리는 왜 금속이 전류에 저항하는지, 즉 왜 오래 지속되는 전류를 유지하려면 금속 도체의 끝 부분에 항상 전위차를 유지해야 하는지 이해할 수 있습니다. 전자가 운동에 간섭을 받지 않고 규칙적인 운동을 하게 되면 전기장의 작용 없이 관성에 의해 무한한 시간 동안 움직일 것입니다. 그러나 실제로 전자는 이온과 충돌합니다. 이 경우, 충돌 전에 일정한 속도로 규칙적인 운동을 하던 전자는 충돌 후 임의의 무작위 방향으로 되돌아오며, 전자의 규칙적인 운동(전류)은 무질서한(열) 운동으로 변합니다. 전기장을 제거한 후 전류는 곧 사라질 것입니다. 오래 지속되는 전류를 얻으려면 각 충돌 후에 전자를 특정 방향으로 계속해서 구동해야 하며, 이를 위해서는 항상 전자에 힘이 작용해야 합니다. 금속 내부의 전기장입니다.

금속 도체의 끝 부분에 유지되는 전위차가 클수록 내부의 전기장이 강할수록 도체의 전류도 커집니다. 우리가 제시하지 않은 계산은 전위차와 전류 강도가 서로 엄격하게 비례해야 함을 보여줍니다(옴의 법칙).

전기장의 영향으로 이동하면 전자는 약간의 운동 에너지를 얻습니다. 충돌 중에 이 에너지는 부분적으로 격자 이온으로 전달되어 더 강렬한 열 운동을 겪게 됩니다. 따라서 전류가 존재할 때 전자의 규칙적인 운동 에너지(전류)는 신체의 내부 에너지를 나타내는 이온과 전자의 혼란스러운 운동 에너지로 지속적으로 변환됩니다. 이는 금속의 내부 에너지가 증가한다는 것을 의미합니다. 이것은 줄열의 방출을 설명합니다.

요약하면 다음과 같이 말할 수 있습니다. 전기 저항이 발생하는 이유는 전자가 이동하면서 금속 이온과 충돌하기 때문입니다.이러한 충돌은 전자의 움직임을 늦추는 경향이 있는 일정한 마찰력의 작용과 동일한 결과를 생성합니다.

서로 다른 금속의 전도도 차이는 금속의 단위 부피당 자유 전자 수와 전자 운동 조건의 차이로 인해 발생하며, 이는 평균 자유 경로, 즉 이동 경로의 차이로 귀결됩니다. 평균적으로 금속 이온과의 두 충돌 사이의 전자에 의해 발생합니다. 그러나 이러한 차이는 그리 중요하지 않으며 그 결과 일부 금속의 전도성은 다른 금속의 전도성과 수십 배만 다릅니다. 동시에 최악의 금속 전도체의 전도도는 좋은 전해질의 전도도보다 수십만 배 더 크고 반도체 전도도보다 수십억 배 더 큽니다.

초전도 현상은 전자가 이동에 저항을 느끼지 않는 조건이 금속에서 발생했음을 의미합니다. 따라서 초전도체에서 긴 전류를 유지하기 위해서는 전위차가 필요하지 않습니다. 어떤 종류의 힘을 가해 전자를 움직이게 하는 것만으로도 충분하며, 전위차가 제거된 후에도 초전도체의 전류는 존재하게 됩니다.

작업 출력. 자유전자는 지속적인 열 운동으로 금속 내부에 위치합니다. 그러나 그럼에도 불구하고 그들은 금속에서 떨어져 날아가지 않습니다. 이는 전자의 탈출을 막는 힘이 있음을 나타냅니다. 즉, 금속 표면을 벗어나려는 경향이 있는 전자가 금속에서 바깥쪽으로 향하는 전기장(전자는 음수임)에 의해 표면층에 작용한다는 것을 나타냅니다. 이는 전자가 금속 표면층을 통과할 때 이 층의 전자에 작용하는 힘이 음의 일을 한다는 것을 의미합니다. ㅏ(여기서는 A>0) 따라서 금속 내부와 외부 지점 사이에는 다음과 같은 전압이 존재합니다. 출력 전압.

위에서부터 금속에서 진공으로 전자를 제거하려면 표면층에 작용하는 힘에 대해 양의 일 A를 수행해야 합니다. 작업 기능.이 값은 금속의 성질에 따라 달라집니다.

일함수와 출력 전위 사이에는 분명한 관계가 있습니다.

어디 이자형- 전자 전하(보다 정확하게는 전자 전하의 절대값, 기본 전하와 동일). 따라서 일함수는 일반적으로 다음과 같은 형식으로 작성됩니다. eq>.

직업 에르표면층의 힘에 대항하여 전자는 운동 에너지의 예비로 인해 작동할 수 있습니다. 운동에너지가 일함수보다 작으면 표면층을 관통하지 못하고 금속 내부에 남게 됩니다. 따라서 금속에서 전자가 방출될 수 있는 조건은 다음과 같은 형태를 갖습니다.

여기 티- 전자 질량, vn는 속도의 법선(표면에 수직) 성분이고, eU는 일함수입니다.

실온에서 금속 내 전자의 평균 열 운동 에너지는 일함수보다 수십 배 작습니다. 따라서 거의 모든 전류는 금속 내부의 표면층에 존재하는 전계에 의해 유지됩니다.

일함수는 일반적으로 줄 단위가 아닌 단위로 측정됩니다. 전자볼트(eV). 1전자볼트는 전자의 전하와 동일한 전하에 대한 장력에 의해 수행되는 작업입니다.(즉, 기본 요금 이상 e) 1V의 전압이 통과할 때:백열체에 의한 전자 방출.금속 내 전자의 열 운동은 무작위적이므로 개별 전자의 속도는 가스 분자의 경우와 마찬가지로 서로 크게 다를 수 있습니다. 이는 금속 내부에는 항상 표면을 뚫을 수 있는 일정한 수의 빠른 전자가 있다는 것을 의미합니다. 즉, 우리가 받아들인 금속 구조의 그림이 정확하다면 액체의 증발과 유사하게 전자의 "증발"이 일어나야 한다는 것입니다.

그러나 상온에서는 조건 (89.2)가 금속 내 전자의 미미한 부분에 대해서만 만족되며 전자의 증발은 너무 약해서 감지할 수 없습니다. 금속을 매우 높은 온도(1500-2000°C)로 가열하면 문제가 달라집니다. 이 경우 열속도가 증가하고 방출된 전자의 수가 증가하며 전자의 증발을 실험적으로 쉽게 관찰할 수 있습니다. 이러한 실험에는 램프를 사용할 수 있습니다. 엘(그림 144), 필라멘트 외에 에게(예 : 텅스텐) 및 추가 전극 L. 램프의 공기는 공기 이온의 참여로 현상을 복잡하게 만들지 않도록 조심스럽게 펌핑됩니다. 램프는 배터리 £i와 검류계에 연결됩니다. G배터리의 음극 단자가 필라멘트에 연결되도록 합니다.

필라멘트가 차가우면 검류계에는 전류가 표시되지 않습니다. 음극과 양극 사이에 전하를 운반할 수 있는 이온이나 전자가 없기 때문입니다. 그러나 보조배터리를 이용하여 필라멘트를 가열하는 경우 비 2점차적으로 필라멘트 전류를 증가시킨 다음 필라멘트가 백열로 뜨거워지면 회로에 전류가 나타납니다. 이 전류는 필라멘트에서 증발하는 전자에 의해 형성되며, 적용된 전기장의 영향으로 필라멘트에서 멀어집니다. 에게전극에 ㅏ.열음극의 단위 표면에서 방출되는 전자의 수는 온도와 이를 구성하는 물질(일함수)에 따라 크게 달라집니다. 따라서 관찰된 전류는 필라멘트 온도가 증가함에 따라 매우 빠르게 증가합니다.

배터리 극을 연결하면 비 1스레드가 양극에 연결되면 스레드를 아무리 가열하더라도 회로에 전류가 흐르지 않습니다. 이는 이제 전기장이 전자를 A에서 K로 이동시키는 경향이 있어 증발된 전자를 다시 필라멘트로 되돌리기 때문에 발생합니다. 이 실험은 또한 금속의 결정 격자에 단단히 결합되어 있는 양이온이 아닌 금속에서 음의 전자만 증발한다는 것을 증명합니다. 설명된 현상을 열이온 방출,다양하고 중요한 응용 프로그램을 발견했습니다.

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존재합니다., 동의어 수: 12 델타 전자(1) 렙톤(7) 광물(5627)... 동의어 사전

방사선 벨트와 지구 자기장을 연구하기 위해 소련에서 제작된 인공 지구 위성입니다. 그들은 쌍으로 발사되었는데, 하나는 아래에 있는 궤적을 따라, 다른 하나는 방사선 벨트 위에 놓여 있었습니다. 1964년에 전자 2쌍이 발사되었습니다. 큰 백과사전

ELECTRON, ELECTRON, 남편. (그리스 전자 호박). 1. 양성자와 결합하여 원자를 형성하는 가장 작은 음전하를 갖는 입자(물리적). 전자의 움직임은 전류를 생성합니다. 2. 단위만. 경량 마그네슘 합금, ... ... Ushakov의 설명 사전

ELECTRON, a, m.(특수). 음전하가 가장 적은 기본 입자입니다. Ozhegov의 설명 사전. 시. Ozhegov, N.Yu. Shvedova. 1949년 1992년 … Ozhegov의 설명 사전

서적

• 전자. 공간 에너지, Landau Lev Davidovich, Kitaigorodsky Alexander Isaakovich. 노벨상 수상자 Lev Landau와 Alexander Kitaigorodsky의 책은 우리 주변 세계에 대한 일반적인 인식을 뒤집는 텍스트입니다. 우리 대부분은 끊임없이 직면하고 있습니다 ...
• Electron Space Energy, Landau L., Kitaigorodsky A.. 노벨상 수상자 Lev Landau와 Alexander Kitaigorodsky의 책은 우리 주변 세계에 대한 속물적인 생각을 뒤집는 텍스트입니다. 우리 대부분은 끊임없이 직면하고 있습니다.

실험실 작업을 위한 교육 및 방법론 매뉴얼 No. 3.10k

"물리학" 분야에서

블라디보스토크

교육과학부

러시아 연방

고등 전문 교육을 위한 연방 주 자치 교육 기관

"극동연방대학교(FEFU)

과학부

전자의 비전하 결정

실험실 작업용 교구 No. 3.10

"물리학" 분야에서

블라디보스토크

극동연방대학교

UDC 53.082.1; 531.76

전자의 특정 전하 결정:교육적이고 방법론적인 "물리학" 분야의 실험실 작업 매뉴얼 No. 3.10k / 극동 연방 대학교 자연 과학부 / Comp. N.P. 딤첸코, O.V. Plotnikova. – 블라디보스토크: Dalnevost. 연방 univ., 2014. - 13 p.

극동연방대학교 자연과학대학 일반물리학과에서 작성한 이 매뉴얼에는 "전기장 및 자기장에서 하전 입자의 운동"이라는 주제에 대한 간략한 이론적 자료와 실험실 작업 "결정"을 수행하기 위한 방법론적 지침이 포함되어 있습니다. "물리학" 분야의 전자의 특정 전하에 관한 것입니다. 이 매뉴얼은 FEFU 공과대학 학생들을 위한 것입니다.

UDC 53.082.1; 531.76

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

© 고등 전문 교육 "FEFU"의 연방 주 자치 교육 기관, 2014

실험실 작업 번호 3.10k 전자의 비전하 결정

작업의 목표:전기장과 자기장에서 하전 입자의 운동 법칙을 연구하고 전자의 특정 전하를 결정합니다. /중,헬름홀츠 코일을 사용합니다.

장치:로렌츠 힘을 증명하고 전자의 전하와 질량의 비율인 직각삼각형을 결정하기 위한 장치입니다.

간략한 이론.

특정 전자 전하 e /중빛의 속도와 같은 기본 상수 중 하나입니다. 와 함께, 플랑크 상수 시간, 볼츠만 상수 케이다른 사람. 전자가 전기장과 자기장에서 움직일 때 전자의 궤적은 이러한 전기장의 구성과 질량에 대한 전자의 전하 비율에 따라 결정됩니다.

움직이는 하전 입자가 균일한 전기장과 자기장의 영향을 받는 경우 입자에 작용하는 힘은 다음과 같습니다.

입자 속도는 어디에 있습니까? 큐- 전하 - 전계 강도 - 자기장 유도.

이 힘을 로렌츠 힘이라고 합니다. 공식에 따르면 전기장과 자기장에서 작용하는 힘의 벡터 합과 동일하다는 것이 분명합니다.

전기장이 없다면 균일한 자기장 내에서 일정한 속도로 하전 입자의 운동을 생각해 봅시다. 이 경우 로렌츠 힘의 자기 성분만 입자에 작용합니다.

이 힘의 방향은 전하의 부호에 따라 달라지며 오른쪽 나사 법칙(왼쪽 법칙)에 의해 결정될 수 있습니다. 1.

로렌츠 힘의 절대값은 다음과 같습니다.

여기서 α는 입자 속도와 자기장 유도 벡터 사이의 각도입니다.

입자가 자기 유도 선을 따라 움직이는 속도로 움직이면 힘이 작용하지 않으며 (F = 0) 입자의 가속도는 0과 같고 움직임은 균일합니다.

입자의 속도가 자기 유도 선에 수직으로 향하면 입자는 크기가 일정한 힘 상수의 영향을 받게 됩니다. 즉, 속도에 수직으로 향하고 입자에 수직(구심) 가속도만 부여합니다. 이 경우 속도 모듈은 변경되지 않습니다. 이유를 설명해라? 결과적으로 입자는 원을 그리며 움직이며 그 반경은 뉴턴의 제2법칙에 따라 구할 수 있습니다.

입자 궤도 주기:

결과 표현에서 균일한 자기장에서 입자의 회전 주기는 입자의 속도에 의존하지 않고 특정 전하에 반비례한다는 것이 분명합니다.

입자 궤적의 알려진 반경을 사용하여 식 (4)에서 입자의 속도를 찾을 수 있습니다.

하전 입자의 속도가 자기 유도 벡터에 대한 각도 α로 향하면 그 움직임은 두 가지 움직임의 중첩으로 표현될 수 있습니다.

두 가지 움직임을 추가한 결과 나선형 움직임이 발생하며 그 축은 자기장 선과 평행합니다(그림 2).

거리 시간나선의 가장 가까운 두 회전 사이의 거리를 피치라고합니다. 나선의 피치는 다음과 같습니다.

이 실험실 작업에서는 자기장 내 전자의 운동을 고려하고 결과로 얻은 모든 관계를 사용하여 이 운동을 설명합니다.

쌀. 2. 균일한 자기장의 힘선에 대해 각도 α로 비행하는 하전 입자의 궤적. R - 반경, h - 나선의 피치.

가속 전위차 U를 통과한 전자는 속도를 얻습니다. 이 값은 전기장의 작업과 전자의 운동 에너지의 동등성에서 찾을 수 있습니다(에너지 보존 법칙은 비에 대해 작성됨). -상대론적 사례):

전자의 전하(모듈로)는 어디에 있고, 전자의 질량은 어디입니까?

식 (6)을 사용하여 전자의 속도를 찾습니다.

(9)를 (8)에 대입하고 특정 전자 전하를 표현하면 다음을 얻습니다.

실험 설정

특정 전자 전하는 그림 1에 표시된 설정을 사용하여 결정됩니다. 3. 설치의 주요 요소는 음극선관(7), 코일로 덮인 전체 볼륨에 걸쳐 균일한 자기장을 생성하는 헬름홀츠 코일(11) 시스템, 그리고 그림 1에 표시된 제어 요소입니다. 삼.

쌀. 3. 전자의 비전하를 결정하는 장치.

1 – 장치의 켜기/끄기 버튼: 2 – 헬름홀츠 코일 11의 자화 전류 방향을 "시계 방향", "끄기", "시계 반대 방향"으로 변경하는 데 사용되는 3위치 스위치; 3 – 자화 전류 조정용 손잡이, 전류는 설비 전면 패널에 있는 전류계를 사용하여 측정됩니다. 4 – 가속 전압 조정용 손잡이. 설치 전면 패널에 있는 전압계를 사용하여 판독합니다. 5 – 스위치에는 세 가지 위치가 있습니다. 이 실험에서는 "꺼짐" 위치에 있어야 합니다. 6 – 정전기장 조정 핸들은 이 실험에서는 사용되지 않았으며 맨 왼쪽 위치에 있어야 합니다. 7 - 음극선관; 8, 10 전자빔의 직경을 측정하는 장치; 9 - 전자빔의 흔적.

헬름홀츠 코일은 반경과 동일한 코일 중심 사이의 거리에 동축으로 위치한 두 개의 얇은 코일 시스템입니다. 코일의 두께는 평균 직경보다 훨씬 작습니다. 이러한 코일 배열의 기하학적 구조를 통해 코일 사이의 전체 부피에서 자기장이 유도되는 것은 거의 동일합니다. 헬름홀츠 코일의 자기장의 유도 벡터는 헬름홀츠 코일의 전류 방향에 따라 두 코일의 축을 따라 관찰자를 향하거나 관찰자로부터 멀어지는 방향으로 향합니다. 전류 방향은 토글 스위치 2(그림 2)를 사용하여 전환됩니다. 3. 음극선관(7)은 이들 코일에 의해 생성된 장의 중앙 영역에 위치합니다(그림 1). 삼.

자기장 유도 비링 시스템 내부의 계산은 Biot-Savart-Laplace 법칙과 두 개의 헬름홀츠 링에 의해 생성된 필드 중첩 원리를 기반으로 계산될 수 있습니다. 이 계산은 자기장 유도에 대한 표현식을 제공합니다.

여기서 는 자기 상수, N = 두 코일의 총 감은 수, R은 코일의 평균 반경, I는 헬름홀츠 코일의 전류 강도입니다.

(11)을 고려하면 공식 (10)은 다음과 같은 형식을 취합니다.

여기서 k는 다음 표현식을 나타냅니다. 이 공식에 상수 값을 대입하면 μ 영형그리고 이 설치의 Helmholtz 코일의 매개변수 N 및 R 값을 통해 최종적으로 식(12)에 대해 다음 식을 얻습니다.

작업 순서

장치는 작동 준비가 되어 있으므로 음극선관을 회전하거나 이 지침에 표시된 것 이외의 다른 버튼을 회전하거나 전환하는 것은 허용되지 않습니다. 연속 실험 시간은 45분을 초과할 수 없습니다.스위치 5, 그림. 삼, "비활성화" 위치에 있어야 합니다. 그리고 이 실험에서 그 위치는바뀌어서는 안 됩니다. 우리는 1 - 2 A, y 내에서 자화 전류를 선택합니다.가속 전압을 150 – 200V 범위로 설정했습니다. 장치를 끄기 전에 전류 조정 손잡이 2와 가속 전압 4를 사용하십시오(그림 1). 3 가장 왼쪽으로 돕니다.

쌀. 4 자기장이 없는 전자빔. 전자빔을 시각화하기 위해 이전에 진공화한 음극선관에 소량의 불활성 가스를 채웁니다. 전자와 희가스 원자 사이의 충돌로 인해 가스 원자가 여기되어 녹색 빛을 방출하여 전자의 경로를 나타냅니다.

쌀. 5. 헬름홀츠 코일의 자기장에 의해 생성된 자기장 내 전자빔의 모습.

측정 절차

작동식(12)에서 알 수 있듯이 전자의 비전하를 실험적으로 결정하려면 가속 전압을 측정해야 합니다. 유, 자화 전류 강도 나및 전자 고리의 반경 아르 자형. 우리는 설비의 전면 패널에 있는 전압계와 전류계를 사용하여 가속 전압과 자화 전류를 측정합니다. 측정 눈금자(10)를 사용하여 링의 직경을 측정하여 링의 반경을 측정합니다. 3. 전자 링의 반경 측정 정확도를 높이려면 다음과 같은 일련의 작업을 수행하는 것이 좋습니다. 측정 눈금자 3에, 그림. 6, 한쪽 다리에 직각 삼각형 2를 부착한 다음 조준경 4와 삼각형 2를 움직여 다른 쪽 다리를 따라 링의 오른쪽 가장자리 위치를 눈으로 관찰합니다. 전자 링의 가장자리, 뷰파인더 및 관찰자의 눈이 동일한 선상에 있는 즉시 링 가장자리의 좌표를 측정합니다. 그런 다음 같은 방식으로 전자빔의 왼쪽 가장자리를 계산합니다. 이 좌표 사이의 차이는 주어진 가속 전압 값과 헬름홀츠 고리의 자화 전류 강도에 해당하는 전자 고리의 직경 값을 제공합니다. 이 절차는 관찰자의 눈이 시선에 수직인 방향으로 이동할 때 뷰파인더 위치가 변경되는 시차와 관련된 링 직경 측정 오류를 줄여줍니다.

필요한 판독값의 기술을 습득한 후 주요 실험으로 이동해야 합니다. 자화 전류를 1.50A로 설정하고 3가지 다른 가속 전압(150, 175, 200V)에서 링의 직경을 측정합니다. 그런 다음 가속 전압을 175V로 설정하고 다음의 세 가지 값에서 링의 직경을 측정합니다. 자화 전류: 1.00 A, 1.50 A, 2.00 A. 측정 결과는 미리 준비된 표에 입력됩니다. 표시된 판독값은 측정 장비의 분할 값의 절반 정확도로 이루어져야 합니다.

표 1번

실험 데이터 테이블

№ p/p	현재 강도(I±ΔI)	가속전압(유±∆ 유)	링 직경(디±∆ 디)	링 반경(아르 자형±∆ 아르 자형)	특정요금여자 이름 이자형
				m∙10 -3	C/kg

실험 결과 처리.

,

여기서 . – 절대 오류 나특정 전하의 두 번째 측정값은 스튜던트 계수이고, n은 측정 횟수입니다. 이 경우 6개의 측정값이 선택되었으며, α는 스튜던트 신뢰도 계수입니다. 실험실 측정에서는 95%로 설정하는 것이 좋습니다.

다음 공식을 사용하여 전자의 특정 전하의 상대 오차 ε를 계산합니다.

최종 결과를 기록하고 전자의 비전하의 표 값과 비교하십시오.

전류, 전자 전하 - 모두가 이 단어를 알고 있습니다.

그렇다면 전기란 무엇이며, 어떻게 생성되고 전송됩니까? 이러한 질문에 답하는 것은 쉽지 않습니다. 이를 위해서는 전기라고 불리는 광범위한 현상에 익숙해져야 합니다. 먼저 '전기'라는 단어의 유래를 살펴보겠습니다.

고대 그리스의 과학자들조차 호박으로 만든 물체를 문지르면 가벼운 물체가 그 물체에 끌린다는 것을 발견했습니다. 호박은 그리스어로 "전자"를 의미합니다. 이 단어에서 "전기"라는 이름이 유래되었습니다.

16세기 후반 영국의 과학자 길버트(Gilbert)는 호박뿐만 아니라 가벼운 물체를 끌어당기는 특성도 있다는 사실을 발견했습니다. 수지나 유리와 같은 많은 물질도 마찰을 통해 이러한 특성을 얻습니다. 이 현상을 전기화라고 합니다. 마찰을 통해 이러한 특성을 얻는 물질을 전기화라고 합니다.

과학자들은 신체에 전기가 나타나거나 전하가 발생하여 신체의 전기화를 설명했습니다.

몸에 전기가 흐르기 위해서는 문지르지 않아도 됩니다. 예를 들어, 이전에 전기가 흐르는 물체를 만질 수 있습니다. 따라서 경험에 따르면 전기가 흐르는 물체는 밀어내거나 끌어당깁니다. 이를 바탕으로 우리는 다양한 유형의 전하가 있다는 결론에 도달했습니다. 이것은 서로 반대되는 전하입니다.

이러한 요금 중 일부는 일반적으로 양수라고 불리고 다른 요금은 음수라고 합니다. 전기가 흐르는 물체가 어떻게 상호 작용하는지 관찰하면 같은 전하가 반발하고 다른 전하가 끌어당긴다는 사실을 확인할 수 있었습니다.

전하가 무엇인지에 대한 질문은 오랫동안 과학자들의 관심을 끌었습니다. 처음에는 전기 현상이 무게가 없는 전기 유체에 의해 발생한다고 가정했습니다. 일부 과학자들은 각 신체에 양극과 음극의 두 가지 전기 유체가 있으며, 하나의 초과는 신체의 양의 대전을 형성하고 다른 하나의 초과는 음의 전기를 형성한다고 가정했습니다. 동일한 양으로 존재하면 두 액체의 작용으로 서로가 파괴됩니다. 이 경우 신체는 충전되지 않습니다. 다른 과학자들은 충전되지 않은 모든 신체에는 일정량의 전기 유체가 하나만 포함되어 있다고 믿었습니다. 신체의 과잉은 긍정적인 전기화를 형성하고 결핍은 부정적인 전기화를 형성합니다. 그러나 점차적으로 새로운 실험적 사실에 대한 분석으로 인해 우리는 전기유체에 대한 가설을 포기하게 되었습니다.

따라서 전기는 원자 구조를 가지고 있음이 발견되었습니다. 그것은 구성 요소로 나눌 수 있으며, 각 부분은 소위 기본 전하를 나타냅니다. 이 결론은 한편으로는 염과 산의 용액을 통한 전기의 흐름을 연구한 다음 가스의 전기를 연구함으로써 가능해졌습니다. 그리고 마지막으로, 경험에 따르면 물질의 가장 작은 입자에 의해 기본 전하가 운반되는 것으로 나타났습니다.

19세기 말 영국의 물리학자 톰슨(Thomson)이 수행한 실험을 통해 전하량이 가장 작은 물질의 개별 입자를 발견할 수 있었고 나중에 그 값을 측정할 수도 있었습니다.

따라서 기본 음전하를 갖는 물질의 가장 작은 입자를 전자라고 합니다.

전자의 전하는 분리할 수 없는 가장 중요한 특성 중 하나입니다.

질량 m = 9.1˖10⁻²⁸ g.

전자 전하 e = - 4.8˖10⁻¹⁰ 단위.

전자는 모든 물질의 일부를 구성하는 입자 중 하나입니다. 물질은 양전하를 띤 핵과 그 주위를 움직이는 전자를 포함하는 원자로 구성됩니다. 전자의 음전하는 모든 물질에서 정확히 동일하지만 핵 주변의 수와 분포는 다릅니다. 원자가 중성 상태에 있을 때 양전하는 그 궤도를 도는 모든 전자의 음전하의 합과 같습니다.

원자가 전자를 잃는 일이 발생합니다. 이 경우 핵의 양전하가 나머지 전자의 전하의 합보다 커지면 원자 전체가 양전하를 띠게 됩니다. 신체가 음전하를 띠면 그 안에 전자가 너무 많다는 뜻입니다.

전자의 움직임은 물질의 전하 재분배, 신체의 양전하 및 음전하 및 기타 현상을 결정합니다.