Lucrare de laborator nr. 2
2.1 Informații teoretice
Ideea discretia sarcinii electrice a fost propus pentru prima dată de Benjamin Franklin în 1752 a fost responsabil experimental discret a fost susținută de legile electrolizei, deschis în anul 1834 Michael Faraday g. Valoarea numerică a taxa elementară (sarcina electrică cel mai puțin, în mod natural) a fost calculat teoretic pe baza legilor electroliza folosind numărul Avogadro. Măsurarea experimentală directă a taxei elementare a fost realizată R.Millikenom în experimente clasice, realizate în 1908 - 1916 ani. Aceste experimente au oferit, de asemenea, dovada incontestabilă a atomismului energiei electrice.
Conform conceptelor de baza ale teoriei electronilor, sarcina unui anumit corp se schimba ca urmare a unei schimbari a numarului de electroni continute in el (sau, in unele fenomene, a ionilor a caror incarcare este un multiplu al sarcinii electronice). Prin urmare, sarcina oricărui organism trebuie să se schimbe în mod treptat și în porțiuni care conțin un număr întreg de sarcini electronice.
După ce a stabilit experimental caracterul discret al schimbării încărcăturii electrice, Millikan a reușit să obțină confirmarea existenței electronilor și să determine încărcarea unui electron (încărcătură elementară), folosind metoda picăturilor de ulei. Metoda se bazează pe studiul mișcării picăturilor de petrol încărcate într-un câmp electric omogen, cu intensitate cunoscută E.
Schema uneia dintre instalațiile lui Milliken este prezentată în Fig. 2.1.
Milliken a măsurat încărcătura electrică concentrată pe picăturile sferice mici individuale care au fost formate de nebulizator P și au fost încărcate electric prin frecare pe peretele nebulizatorului. Printr-o gaură mică în placa superioară a condensatorului plat K au căzut în spațiul dintre plăci. În spatele mișcării, picăturile au fost observate într-un microscop
Pentru a proteja picăturile de curenții de aer de convecție, condensatorul
Fig. 2.1: Diagrama de instalare. P - atomizor cu picături, K - condensator, PI - sursă de energie, M - microscop, h - sursă de radiație, P - suprafață de masă.
a fost închis într-o carcasă protectoare, temperatura și presiunea în care erau menținute constante. În timpul experimentelor a fost necesar să se respecte următoarele condiții:
1. Picăturile trebuie să aibă o dimensiune microscopică pentru a:
Forța electrostatică care acționează asupra căderii încărcate, cu câmpul electric pornit, depășea forța gravitațională
încărcarea picăturii, precum și modificările sale în timpul iradierii (folosind un ionizator) au fost egale cu un număr suficient de mic de sarcini elementare. Acest lucru facilitează stabilirea multiplei încărcări a căderii la o încărcătură elementară;
2. Densitatea picăturii trebuie să fie mai mare decât densitatea mediului vâscos 0. În care se mișcă (aer);
3. Masa picăturii nu trebuie să se schimbe în timpul întregului experiment. Pentru aceasta, uleiul din care constă picatura nu trebuie să se evapore (uleiul se evaporă mult mai încet decât apa).
Dacă placa condensator au fost încărcate (câmpului electric E = 0), picătura încet prin picurare, se deplasează de sus în placa inferioară. Odată ce condensatorul este încărcat plăci în mișcare picături au avut loc schimbări: în cazul sarcină negativă pe meniurile și pozitiv pe placa superioară a condensatorului scade scădere a încetinit, iar la un moment dat în timp este schimbat în direcția opusă - începe să urce pe placa superioară.
Ecuația de mișcare a unei picături
Cunoscând rata de picătură a picăturilor în absența unui câmp electrostatic (sarcina nu a jucat un rol) și rata de picătură a picăturilor într-un câmp electrostatic dat și cunoscut, Millikan ar putea calcula încărcătura picăturii. Pentru a determina sarcina, este necesar să se ia în considerare în primul rând mișcarea picăturii în absența unui câmp electrostatic (plăcile nu sunt încărcate, E = 0).
Fig. 2.2: forțe care acționează asupra unei căderi în absența unui câmp electrostatic
În acest caz, trei forțe acționează asupra căderii (Figura 2.2):
forța gravitațională mg;
Forța arhimediană 0 V g = m 0 g = F A,
unde 0 este densitatea aerului, V este volumul picăturii, 0 V = m 0 este masa aerului deplasat de picătură;
forță de rezistență vâscoasă exprimată prin formula Stokes kv = - 6 rv = F C. unde - vâscozitatea aerului, r - raza picăturii, v - picături de viteză.
Notă: Formula Stokes este valabilă pentru mingea se deplasează în gaz, cu condiția ca raza sferei este de multe ori mai mare decât drumul liber de molecule de gaz. În experimentul picături a fost atât de mic, că această condiție nu este îndeplinită, și Millikan introdus în calculul corecțiilor necesare. Mai mult, a fost necesar să se ia în considerare faptul că, cu o substanțială dimensiuni de reducere a picăturilor, când raza sa devine comparabilă cu grosimea stratului de aer al moleculelor adsorbite pe suprafața picăturii, densitatea efectivă a picăturilor poate să difere substanțial de densitatea materialului.
Se scrie pentru cazul corespunzător Fig. 2.2, Legea lui Newton în proiecția pe axa X:
- (m - m 0) g + kv g = -ma;
unde a este accelerația cu care căderea cade.
Din cauza rezistenței vâscoase, picatura aproape imediat după începerea mișcării sau schimbarea condițiilor de mișcare dobândește o viteză constantă (starea de echilibru) și se mișcă uniform. În acest sens, a = 0, iar viteza de mișcare a picăturii poate fi găsită în (2.1). Indicăm modulul staționar în absența unui câmp electrostatic v g. atunci
Determinarea încărcăturii elementare prin experimentul de calcul
Din ecuația (2.5), care stabilește prin măsurarea vitezei v g v E, iar în absența câmpului electrostatic și, în consecință, dacă este prezent, poate determina taxa picăturii, dacă se cunoaște factorul k = 6, r.
Se pare că pentru a găsi k este suficient să se măsoare raza picăturii (viscozitatea aerului este cunoscută din alte experimente). Cu toate acestea, măsurarea directă a acestei raze cu ajutorul unui microscop este imposibilă: r este de ordinul magnitudinii 10 -4 -10 6 cm, care este comparabilă cu lungimea de undă a undei luminoase. Prin urmare, microscopul oferă doar o imagine de difracție a picăturii, ceea ce nu permite măsurarea dimensiunilor sale reale.
Informațiile privind raza unei picături pot fi obținute din datele experimentale despre mișcarea sa în absența unui câmp electrostatic. Cunoscând și ținând seama de asta
m-m 0 = 4 3 r 3 (-0);
unde este densitatea picăturii de ulei, din (2.2) obținem:
În experimentele sale, Milliken a schimbat încărcătura picăturii, aducând o bucată de radium la condensator. Radiația de la radiație a ionizat aerul din cameră (figura 2.1), ca urmare a căruia picatura ar putea capta o sarcină suplimentară pozitivă sau negativă. Dacă înainte ca picatura să fie încărcată negativ, este clar că este mai probabil să se adauge ioni pozitivi. Pe de altă parte
lateral, adăugarea de ioni negativi nu este exclusă. În ambele cazuri, sarcina picăturii se schimbă și, în sens invers, viteza mișcării sale, v E 0. Valoarea
q 0 din sarcina modificată a picăturii în conformitate cu (2.5) este determinată de relația:
Din (2.5) și (2.7) determinăm valoarea încărcăturii atașată la picătură:
Comparând amploarea taxei de una și aceeași picătură, se poate observa că magnitudinea schimbării de încărcare și taxa în sine picături sunt multipli de aceeași magnitudine e - sarcina elementară. În numeroasele sale experimente, Milliken a primit valori diferite ale taxelor q și q 0. Dar ele au reprezentat întotdeauna un multiplu
- este un număr întreg. Prin urmare, Mil-
Lycian a concluzionat că valoarea lui e reprezintă cea mai mică cantitate posibilă de energie electrică în natură, adică o "porțiune sau atom de energie electrică".
Valoarea actuală a "atomului" electricității este e = 1. 602 10-19 Cl. Această cantitate este o sarcină electrică elementară, a cărei purtătoare sunt un electron având o sarcină negativă -e și un proton având o sarcină e.
Notă: Particulele subnucleare numite, cunoscute sub numele de „quark au taxe de modul 03 februarie și martie 1 e e, astfel încât cuantumul sarcinii electrice care urmează să fie luate în considerare 01 martie e Dar în procesele atomice și moleculare toate multiplilor taxele de e ...
Observarea mișcării aceleiași picături; pentru mișcarea descendentă (în absența unui câmp electric) și în sus (în prezența unui câmp electric) în fiecare experiment Milliken repetat de mai multe ori, în timp util pornirea și oprirea câmpului electric. Precizia măsurării încărcării unei picături depinde în principal de precizia măsurării vitezei de mișcare.
Într-un experiment pe calculator, toate acțiunile pe care Milliken le-a efectuat în experimentele sale clasice sunt simulate. Alegerea valorii corespunzătoare a câmpului electric și măsurarea vitezei picăturilor va fi aproximativ aceeași cu cea a lui Millikan. Acest lucru vă va ajuta să simțiți atmosfera unui experiment fizic excelent și să vă amintiți mai bine principalele sale trăsături. După procesarea rezultatelor "experimentale" folosind formulele (2.5) și (2.8), veți obține o serie discrete de valori ale lui q și q și veți "determina" încărcarea electronului.
Cu toate acestea, nu puteți să credeți că, cu ajutorul unui experiment pe calculator, ați măsurat (sau chiar mai bine calculat) încărcătura electronică. Valoarea e = 1. 602 10 - 19 Cl este inclus în programul prin care rulează computerul și reproduceți numai acest număr efectuând măsurătorile necesare cu imaginea
O picătură care se deplasează pe ecran. De fapt, este posibil să se determine încărcarea unui electron numai într-un experiment fizic real. Experimentul computerului nu înlocuiește realul, ci vă permite să înțelegeți mai bine esența acestuia.
2.2 Întrebări de control
1. Ce forțe acționează asupra unei scăderi a experienței lui Millikan?
2. De ce mișcarea picăturilor poate fi considerată uniformă în timpul observării?
3. De ce se schimbă viteza picăturilor staționare la iradiere cu o anumită valoare?
4. De ce, atunci când este iradiat, o picătură poate capta o încărcătură cu același semn ca și taxa proprie, deoarece taxele similare sunt respinse? Frecvența capturării unei picături de aceeași încărcătură depinde de temperatura, de sarcina căderii, de sarcina ionului capturat?
5. Care este semnificația fizică a viscozității. Din ce lege fizică puteți obține dimensiunea sa?
6. De ce nu puteți măsura raza unei picături direct cu un microscop?
7. Formula lui Stokes F = 6 rv este inaplicabilă dacă raza picăturii este mai mică decât calea medie liberă a moleculelor. Estimați calea medie liberă la presiunea atmosferică și temperatura camerei. După calcularea razei picăturii de rata de date experimentale, dacă este îndeplinită condiția ca raza r >> picături (adică formula Stokes de procesare aplicabilă și acceptabilă a formulelor de 2.5 și 2.8).
8. Explicați modul de determinare a încărcării elementare pe baza datelor experimentale.
9. De ce experiența lui Millikan mărturisește atomismul electricității?
10. Selectați sistemul de unități pentru procesarea datelor primite și recalculați toate valorile constantelor necesare în acest sistem.
2.3 Experiența computerului
După pornirea programului, o imagine a aparatului foto apare între plăcile condensatorului (Figura 2.4).
Când faceți clic pe butonul "Injecție", computerul continuă să simuleze experimentul lui Millikan. De la placa de sus începe să "picătură o picătură de ulei." Întrucât într-un experiment real picăturile sunt foarte mici, o imagine de difracție, mai degrabă decât o imagine reală, poate fi observată cu ajutorul unui microscop.
Fig. 2.4: Cameră între plăcile condensatorului
nu mai puțin, în experiment este posibilă fixarea modificării poziției picăturii cu trecerea timpului. Calculatorul reglează raza și încărcarea drop la întâmplare, încărcarea inițială a căderii fiind întotdeauna negativă.
Un cronometru și un altimetru sunt utilizate pentru a măsura viteza picăturilor, pe care le puteți observa pe ecranul monitorului. Când cronometrul este pornit, coordonata inițială a căderii este fixată și atunci când este oprită, coordonata finală este fixată. Rețineți că apăsarea butonului stop al cronometrului nu împiedică deplasarea picăturii. Măsurând viteza picului în g în absența unui câmp electric, raza picăturii se găsește din (2.6).
Pentru a realiza mișcarea unei picături într-un câmp electrostatic constant, trebuie să aplicați o tensiune condensatorului (potențialul pozitiv este întotdeauna pe placa superioară). În funcție de mărimea și încărcarea căderii, este necesară o tensiune diferită, pentru care este utilizată sursa de alimentare. Acesta vă oferă următoarele opțiuni:
1. activați tensiunea apăsând butonul "On"
2. Opriți tensiunea apăsând butonul "Oprit"
3. Schimbați tensiunea în pași de 100 V apăsând butonul "^" sau "_".
Tensiunea pe condensator se reflectă pe scala voltmetrului afișat în vecinătatea sursei de alimentare. Intervalul de schimbare a tensiunii este de 1000 - 4000 V.
Imediat după începerea căderii, tensiunea pe condensator este zero. Dacă faceți clic pe „Pe salt de tensiune condensator este stabilită și va fi egală cu 1000 V. Aceasta este tensiunea minimă pe care o puteți aplica la condensator Puteți modifica treptat tensiunea în intervalul de 1000. - În 4000, prin apăsări de taste repetate“ butonul * „sau“ _ "Rețineți că cu ajutorul tastelor puteți schimba tensiunea doar atunci când tensiunea este deja aplicată condensatorului.
Opriți brusc tensiunea apăsând butonul "Dezactivat". Dacă apoi re-clic pe „pe condensator pentru a fi servit nu este 1000, iar tensiunea, care a fost pe condensator la momentul apăsând pe butonul“ Off „. Acest lucru simplifică foarte mult managementul traficului scade.
De exemplu, lăsați căderea să cadă la o viteză de vg (tensiunea pe voltmetru este de 0 V). Când se apropie de placa de jos, porniți alimentarea și set, de exemplu, 2500V, rezultând într-o picătură se mișcă în sus, cu un nivel acceptabil pentru tine de a accelera v E. Când se apropie de placa de sus, opriți căderea de tensiune și, din nou, se deplasează în jos cu viteza v g. Când picătura se află pe placa inferioară, apăsați pe "Pornit și voltmetrul arată din nou 2500 V, determinând căderea să se deplaseze în sus cu aceeași viteză v. E.
Pentru a obține valori ale lui vg și vE care sunt acceptabile pentru precizie, este necesar să se efectueze cu aceeași picătură în aceleași condiții 5-6 măsurători ale lungimii traseului și timpul de trecere a acestuia. Când picătura se mișcă în jos, măsurați v g. când se deplasează în sus - v. E. După ce ați condus picura în sus și în jos de 5-6 ori și mediați rezultatele acestor măsurători, se obțin valorile finale ale vg și vE.
Dacă faceți clic pe butonul „iradierii comutatorului radiații ionizante. Această scădere poate captura sarcină pozitivă sau negativă suplimentară și viteza sa (la o valoare constantă de E) va sari. Se măsoară valoarea noua v E 0. fără a modifica E. Apoi, folosind formula (2.8), veți găsi taxa care a capturat picătură (căutați o nouă valoare ca medie pentru 5-6 măsurători).
Dacă, după iradiere, căderea și-a redus sarcina într-o asemenea măsură încât câmpul nu poate face să se miște în sus, să crească tensiunea și să proceseze rezultatele utilizând formula (2.7) și nu (2.8).
Iradiați aceeași picătură de 2-3 ori. Procedând astfel, încercați să nu o aruncați pe plăcile condensatorului. Dacă nu aveți timp în timp pentru a activa și dezactiva teren (sau nu reușesc să aleagă dreptul valorii sale), și o picătură cade pe partea de sus sau de jos a plăcii, experimentul cu această scădere se termină. Computerul vă cere să opriți tensiunea și să introduceți o nouă picătură (cu o nouă rază și încărcare) în cameră.
Căderea picăturilor poate apărea nu numai din cauza încetinirii. De exemplu, după iradiere, picătura își poate pierde complet încărcătura. Apoi, nici un câmp nu va împiedica să cadă. Este rușine, desigur, când experimentul nu este întrerupt de propriul viciu, dar Millikan a avut același "necaz".
Nu setați valorile de tensiune la care picătura se mișcă prea repede, deoarece crește eroarea relativă în măsurarea timpului. Acceptabile sunt viteze de picături, pentru care distanța în
Trimiteți-le prietenilor: