Lab № 2
2.1 Теоретична информация
Идеята за разделяне на електрическия заряд за първи път е предложено от Бенджамин Франклин през 1752 Експериментално беше дискретна такса е обоснована от законите на електролиза, открит през 1834 година Майкъл Фарадей гр. Числова стойност на елементарен заряд (най-малко електрически заряд, естествено срещащи се) бе теоретично изчислен въз основа на законите електролиза с помощта на Числото на Авогадро. Директен експериментално измерване на начално зареждане се извършва R.Millikenom в класически експерименти, извършен през 1908 г. - 1916 години. Тези експерименти също дадоха неопровержимо доказателство за силата на атомизма.
Според основните понятия на електронната теория, таксата на тялото се променя чрез промяна на размера, съдържаща се на електроните (или в някои явления на йони, количеството на заплащане, което е кратно на таксата за електрони). Следователно, заряд на всеки орган трябва да променя рязко, и такива порции, които съдържат цяло число от електрони такси.
След като се установи експериментално дискретен характер на промените в електрически заряд, Р. Milliken в състояние да получите потвърждение за съществуването на електроните и да се определи степента на заряда на електрона (начално зареждане) с помощта на капчиците масло. Методът се основава на изследване на движението на заредени маслени капчици по еднакъв електрически интензитет поле на известната E.
Веригата на една от единиците Millikan е показано на фиг. 2.1.
Millikan измерва електрически заряд локализиран на отделни малки капчици сферична форма, която формира пръскачка P и придобити електрически заряд на триене електрифициране стена пистолет. През малък отвор в горната плоча на кондензатор К равнина те попадат в пространството между плочите. Движението на спада наблюдава в микроскоп
За да се защитят капчиците от конвекция кондензатора на въздушния поток
Фиг. 2.1: Инсталация диаграма. P - спрей на капчици, К - кондензатор SP - захранване, М - микроскоп, з - източник на радиация, P - таблица повърхност.
е затворен в защитен кожух, температурата и налягането на което се поддържат постоянни. Следните условия са необходими за да се съобразят с при извършване на експерименти:
1. капките трябва да бъдат с микроскопичен размер на:
електростатичния сила действа върху заредени капчици, докато електрическото поле е по-голяма от силата на гравитацията
такса пада, и това се променя, когато облъчени (употребата на йонизатор) са равни на достатъчно малко на брой елементарни такси. Това го прави по-лесно да се установи многообразието на такса пада до елементарния заряд;
2. капчиците плътност трябва да бъде по-голяма от 0. плътност вискозна среда, в която се движи (въздух);
3. капки тегло не трябва да бъдат променяни по време на експеримента. Към това масло, от които спадът не трябва да се изпари (масло изпарява водата много по-бавно).
Ако кондензатор плоча се зареждат (електрическо поле E = 0), капчицата спада бавно, движещи се от горната до долната плоча. След като кондензатор е заредена плочи в движение пада настъпили промени: в случай на отрицателен заряд на спада и положително върху горната плоча на кондензатор капки спад се забави, и в някакъв момент от време се променя в обратна посока - като се започне да се изкачи до горната плоча.
Уравнението на движение на капките
Познаването на скоростта на падане на капките при липса на електростатичното поле (такса не е играл ролята) и скоростта на падане на капките в предварително определен и известен електростатично поле Milliken може да се изчисли таксата пада. За определяне на таксата трябва да се разгледа първо движение капчица в отсъствието на електростатично поле (не таксуват плочи, E = 0).
Фиг. 2.2 сили, действащи върху спада в отсъствието на електростатично поле
В този случай, спадът има три сили (фигура 2.2.):
на силата на гравитацията мг;
плавателност сила 0 V г = m 0 г = F А,
където 0 - плътност на въздуха, V - обем на капка, 0 0 V = М - маса на въздух измества по капка;
вискозно съпротивление сила изразено от Stokes формула кв = - 6 RV = F С, където - вискозитета на въздух, г - радиусът на капчицата, V - скорост на капки.
Забележка: формула Стоукс "е валидна за топката се движи в газа, при условие, че радиусът на сферата е много пъти по-голяма от средната свободен пробег на газови молекули. В експеримента капки, че е толкова малка, че това условие не е изпълнено, и Millikan въведена при изчисляването на необходимите корекции. Освен това е необходимо да се вземе предвид, че със значителни размери намаляване на капките, когато радиус става сравнима с дебелината на въздушния слой от молекули, адсорбирани върху повърхността на капката, ефективната плътност на капките може да се различава значително от плътността на неговото материал.
Пишем за случая, съответстващ на фиг. втория закон на Нютон 2.2 в проекцията на оста Х:
- (т - м 0) г + кв г = МА;
където - ускорение, което попада капка.
Поради вискозен капка съпротива почти веднага след началото на движение или промяна в условията на движение се превръща в постоянна (постоянна) скорост на преместване и равномерно. Поради това, а = 0, и от (2.1) може да се намери скоростта на капчиците. Означаваме модул постоянна скорост при липса на електростатично поле срещу г. след това
Определяне на начално зареждане на компютри експеримента
От уравнение (2.5), които установено чрез измерване на скоростта V г о Е, и в отсъствието на електростатичното поле, и съответно, ако присъства, може да се определи заряд на спад, ако е известна фактор к = 6, г.
Изглежда, за намиране на к е достатъчно, за да се измери радиуса на капчиците (вискозитет на въздуха е известно от други експерименти). Обаче, директното измерване на радиуса под микроскоп невъзможно: г от порядъка от 10 - 4-10 - 6 cm, която е сравнима с дължината на вълната на светлината .. Затова микроскоп дава само на дифракция образ на капките, не позволява тя да се измерва действителния размер.
Информация за радиуса на спад може да бъде получена от експериментални данни за движението му в отсъствието на електростатично поле. Знаейки о г и това, че
m - 0 m = 4 3R 3 (- 0);
където - плътност на маслената капка, от (2.2) получаваме:
В своите експерименти, Миликан променило капките за зареждане, държейки парче радий към кондензатора. Така радий радиация йонизира въздуха в камерата (фиг. 2,1), при което капка може да вземете допълнително положителен или отрицателен заряд. Преди това е била една капка е отрицателно заредена, ясно е, че толкова по-вероятно е приложен към самите положителните йони. От друга страна
ръка, е възможно присъединяването на отрицателни йони. И в двата случая, таксата пада и промяна - рязко - скоростта му срещу E 0. Стойността
р 0 променено заряд капки според (2.5), определена от отношението:
От (2.5) и (2.7) се определя от големината на капчиците свързан заряд:
Сравнявайки големината на заряда на една и съща капка, тя може да се види, че големината на промяна на заряд и самата капки таксата са кратни на една и съща величина е - начално зареждане. В многобройни експерименти Millikan има различни стойности на Q на такси и р 0. но те винаги са били сгънете
- число. Следователно mil-
Оприличи заключи, че стойността на д е най-малкото възможно количество електрическа енергия в природата, т.е. "доза атом или електричество.
Modern мощност стойност "атом" е = 1. 10 602-19 Cl. Тази стойност е елементарни електрически таксата превозвачи са електрони, които имат отрицателен заряд -е протон има такса от д.
Забележка: subnuclear частици, известни като "кварк има обвинения в модул 03 февруари и март 1е д така че кванта на електрически заряд, за да се счита за 1 март д Но в атомни и молекулни процеси всички кратните такси д ...
Наблюдение на движението на същите капки, т.е. за нейното движение надолу (при липса на електрическо поле) и нагоре (в присъствието на електрическо поле) във всеки експеримент Milliken повтаря много пъти, навременно включване и изключване електрическото поле. Точност на измерване на таксата пада значително зависи от точността на измерването на скоростта му.
В компютъра експеримент симулира всички действия, които произвеждат Миликан в своите класически експерименти. Изборът на подходяща стойност на електрическо поле и измерване на скоростта на спада ще имате приблизително по същото време, както е било в Millikan. Това ще ви помогне да усетите атмосферата на голяма физическа експеримента и го запомни основните характеристики. След като прекарва обработката на вашите "експериментални" резултати от формулите (2.5) и (2.8), вие ще получите отделен набор от ценности на р и р и "определи" заряд на електрона.
Невъзможно е обаче да се мисли, че с помощта на компютърна симулация, която действително измерени (или дори по-силно, изчислени) е таксата за електрон. Стойността на д = 1 602 10-19 Cl включена в програма, в която се изпълнява на компютъра, а вие играете само този номер, като необходимите измервания с лика
капки, движещи се на екрана. В действителност, за да се определи заряда на електрона може да бъде само един истински физически експеримент. Компютърна експеримент не замества истински, а само позволява по-добро разбиране на същността му.
2.2 Преглед на въпроси
1. Какви сили действат на капчица в експеримента Millikan?
2. Защо е движението на капките по време на наблюдението може да се счита за еднакво?
3. Защо е стойността на скоростта на постоянен спад по време на облъчването се променя до определена стойност?
4. Защо е облъчване на спада може да улови обвинението в същия знак като заряда на своето, защото като такси се отблъскват? улавяне на честота падне ли като такси върху температурата на капките за зареждане на увлечени от заряда на йона?
5. Какъв е физичния смисъл на вискозитета. От физически закон може да получи своето измерение?
6. Защо не е възможно да се измери радиуса на спада веднага с микроскоп?
Stokes Уравнение 7. F = 6 RV неприложим ако радиусът на спада по-къса от средното свободен пътя на молекулите. Оцени свободен път при атмосферно налягане и стайна температура. След изчисляване на радиуса на капчиците от експериментален скоростта на данните, дали състоянието е убеден, че радиус R >> капки (т.е. формула Stokes "се прилага и приемлив обработка с формули 2.5 и 2.8).
8. обясни как да се определи начално зареждане на базата на експериментални данни.
9. Защо Millikan опит показва, атомизъм на електроенергия?
10. Изберете системата за единица за обработка на данните и се преизчисли всички стойности на константите, необходими в системата.
2.3 експеримент компютър
След стартиране на програмата се появява на изображението на камерата между плочите на кондензатора (фиг. 2.4).
Когато кликнете върху "инжекция", компютърът продължава да симулация на Миликан експеримент. "Капчица масло есен" започва от горната плоча. Както и в реален експеримент, капчиците имат много малък размер, с микроскоп може да наблюдава тяхното дифракция, но не и реално представителство. на
Фиг. 2.4: Камерата между плочите на кондензатора
Въпреки това, в опит да улови промяната в позицията на капки с течение на времето. Компютърът определя радиуса и заряда на капчиците на случаен принцип, първоначалната такса пада винаги отрицателна.
За да се измери пада на скоростта са хронометър и висотомера, който можете да видите на екрана. Когато е включен хронометъра е записана първоначално координиране на капки, а когато е изключен - край. Моля, имайте предвид, че натискане на бутон "Стоп" бутон хронометъра не води до прекратяване на движението на спада. Чрез измерване на скоростта V ж капки при липса на електрическо поле, с формула (2.6) са радиуса на капчицата.
За да се реализира движението на капчици в постоянно електростатично поле, трябва да се прилага в продължение на кондензатор напрежение (положителен потенциал е винаги на горната плоча). В зависимост от размера и такса капки изисква друго напрежение, която служи като източник на захранване. Там се предлага със следните характеристики:
1. превключване на напрежението, като натиснете "на
2. изключете захранването, като натиснете "OFF
3. За да се променят напрежението от 100 на стъпки, като натиснете "*" или "_".
Напрежението на кондензатор е отразено в мащаба на волтметър е показано в следващата към захранването. Интервал напрежение променя 1000 - 4000 V.
Веднага след падането на напрежението спад през кондензатора е нула. Ако кликнете върху "На скок на кондензатор напрежение е установен и ще бъде равен на 1 000 V. Това е минималното напрежение, които можете да приложите към кондензатор Можете да постепенно се променя напрежението в интервала от 1000. - През 4000 чрез повторни натискания на клавиши" бутон * "или" _ ". Имайте предвид, че с клавишите със стрелки, можете да промените напрежението само когато кондензатор вече е под напрежение.
Внезапно изключвайте захранването с натискане на "Off" бутон. Ако след това отново щракнете върху "На кондензатор да бъде връчен, не е 1000, а напрежението, което е на кондензатор в момента на натискане на бутона за" Off ". Това значително опростява управлението на трафика капки.
Например, да падат надолу със скорост V г (напрежение на волтметъра - 0 V). Когато се приближава долната плоча, включване на захранването и набор, например, 2500V, което води до спад се движи нагоре с приемливо за вас, за да се ускори срещу E. Когато се приближава горната плоча, можете да изключите спад на напрежението и за пореден път се движи надолу със скорост V гр. Когато спад в дъното на чинията, натиснете "на и волтметър показва отново 2500V, което води до спад на движещи се по едно и също скорост V E.
За да се получат стойностите приемливи точност и о г о Е С трябва да носи същата капка при същите условия на 5-6 измервания дължината на пътя и времето на преминаването му. При движение надолу капка измерена срещу грам. хода нагоре - срещу Е. преследва капка нагоре и надолу 5-6 пъти и осредняване на резултатите от тези измервания, крайната стойност се получава и о г о Е.
Ако кликнете върху бутона "облъчване на ключа йонизиращо лъчение. Този спад може да улови допълнителен положителен или отрицателен заряд и неговата скорост (при постоянна стойност на Е) ще скочи. Измерете нова стойност в н и 0. без да се променя Е. След това, с помощта на формулата (2.8), ще откриете една капка заловен такса (нова стойност отново изглежда като средната стойност на 5-6 измервания).
Ако след една капка от облъчване намалява тяхната грижа, така че областта не може да си, за да се движат нагоре, увеличаване на напрежението, както и анализ се извършва с помощта на формулата (2.7), вместо (2.8).
Облъчва същата капка 2-3. В същото време, не се опитват да го пуснете върху плочите на кондензатор. Ако не разполагате с време навреме, за да включвате и изключвате областта (или не успяват да избера най-подходящия стойността му) и една капка пада върху горната или долната част на плочата, експериментът с този спад не свършва. Компютърът пита за изключване на напрежението и въвежда нов спад на фотоапарата (с новата радиуса и заряд).
Падането на капките може да се случи не само заради вашата мудност. Така например, облъчване на спада може да се загубват изцяло заплащане. След това не е пречка за нито една област от отпадане. Това е срамота, разбира се, когато опитът се прекъсва не ти е виновен, но една и съща "Проблемът" бяха на Миликан.
Вие не трябва да поиска такава стойност на напрежение, на което капчицата се движи твърде бързо, тъй като това увеличава относителната грешка в измерването на времето. Подходящи са такива, скоростта на капчиците, при което разстоянието