Способ определения заряда электрона Советский патент 1992 года по МПК G09B23/18 

Изобретение относится к общей физике и может быть использовано в лабораторном практикуме по курсу Электричество.

Известен способ определения заряда электрона, включающий введение заряженной капли жидкости между заряженными пластинами, многократное определение скорости движения капли между пластинами при различной величине электрического заряда на капле 1.

Недостатком этого способа является значительная трудоемкость проведения измерений, особенно в лабораторном практикуме курса общей физики.

Целью изобретения является снижение трудоемкости измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения заряда электрона, включающем введение заряженной капли жидкости между заряженными пластинами, многократное определение скорости движения капли между пластинами при различной величине электрического заряда на капле, определение скорости движения осуществляют путем фиксации пути, пройденного каплей за заданное время, при этом в конце пути каплю останавливают воздействием на нее электрического поля, после чего осуществляют повторение измерений при сообщении капле иного электрического заряда.

На фиг.1 изображено устройство для осуществления способа определения заряда электрона; на фиг.2 приведена схема взаимного расположения микроскопа, осветителя и объекта наблюдения.

Установление первого значения напряжения поля EI после каждой перезарядки выбранной капли производят из условия общей остановки капли, то есть из условия

mg Evq откуда EI mg/q, где m- масса капли;

g -ускорение свободного падения; q - заряд капли,

(Л

С

ч

О 4 О VI

сл

после чего второе значение напряженности поля Е2 поддерживают постоянным, например равным нулю, разрешая капле свободно падать в течение фиксированного промежутка времени, по истечение которого вновь устанавливают значение напряженности EI, чтобы капля вновь остановилась. При этом определение скорости движения капли для Е2 производят по измеренному пути, пройденному каплей за фиксированный промежуток временит между двумя последовательными остановками.

Существенными особенностями заявленного способа является создание после каждой перезарядки капли режимов остановки капли, ее свободного падения и переключения напряженности поля. Эти режимы позволяют остановить каплю в конце пути, вернуть ее в исходную точку и затем вновь проводить эксперименте этой же каплей.

Способ основан на описании движения заряженных капель в присутствии электрического и гравитационного полей в конденсаторе с воздушной средой между пластинами. На каплю радиуса г и плотности р действуют сила гравитации, равная

4 ч

р q , сила электрического поля qE и

сила вязкого трения -6 JT г Т) V , где г - коэффициент вязкости воздуха, V - скорость движения капли. Уравнение движения капли имеет вид:

4т dV 4 ч

jt 4+qE - 6 я -у г V.(1)

Решая дифференциальное уравнение методом разделения переменных, получим:

/ -1

V(t) (1--)l Ч,(2)

VfO

где V0 - скорость капли для момента време- ки t О,

Vao скорость установившегося движения, равная

v (3)

д цт 6 П Г Г W

2-р-г2

где т -0е - постоянная времени усу т

тановления скорости.

Радиус г и заряд q являются неизвестными и определяются из опыта. Для этого измеряют скорости падения Vi и Va одной и той же капли при двух значениях напряженности EI и Е2 с учетом вышесказанного из выражения (3) получим два уравнения: 2 Р q , q Е2

Vi

9 t + Ьл-r} г

(4)

V,- 2/p-Q+ q-E2 V2 9 -щ Ъл-t r Решая систему (4), получим выражения для г и q в общем случае:

г 3

. УЕТ-У2-Ь2 -УГ (5)

2 -pqEi-E2

q 18x

p-q

yhi V2 - Ei-E2

V2-V1 Ei -E2

(6)

В случае, когда Vi 0(q- EI) - уравновешивает силу тяжести) и Е2 0, Va 0 - свободное падение. В этом случае

гз vC

2 -р -q

г.

(7)

3/2

q 18 -л

V2

2 -p-q

Ei

(8)

Проводя перезарядку капли и каждый раз определяя ее заряд описанным выше способом, получают множество значений электрических зарядов капли qi, вообще го30 воря, разные, В случае существования элементарного электрического заряда эти значения должны подчиняться условию дискретности:

qi /e/-,(9)

35 где t - число нескомпенсированных элементарных зарядов на капле, е - заряд электрона, который является наибольшим общим делителем всех зарядов.

На фиг.1 изображено устройство для

40 осуществления способа определения заряда электрона; на фиг.2 приведена схема взаимного расположения микроскопа, осветителя и объекта наблюдения.

Устройство содержит камеру 1, пласти45 ны плоского конденсатора 2, отверстие 3 в верхней пластине конденсатора 2, кварцевое окно 4 в нижней пластине конденсатора 2, распылитель 5, капли 6 в зоне наблюдения между пластинами конденсатора 2, ок50 но 7 в боковой поверхности камеры 1, микроскоп (МПБ-2) 8, искровой ионизатор 9, патрубок 10 для подачи капель от распылителя 5 в отверстие 3 в верхней пластине конденсатора 2, блок управления 11, цифро55 вой вольтметр (В7-16) 12, измеритель времени (ССЭШ-63) 13.

Схема взаимного расположения микроскопа, осветителя и объекта наблюдения - капель включает.-камеру 1, 7 и 14 - застекленные окна боковых стенок камеры 1, осветитель (ОИ-9М) 15, микроскоп (МПБ-2) 8, капли 6.

Движение капли в зоне наблюдения между двумя параллельными пластинами конденсатора 2 контролируется через измерительный микроскоп 8. Капля 6 с помощью распылителя 5 через патрубок 10 и отверстие 3 в верхней пластине конденсатора 2 подается в зону наблюдения. В нижней пластине конденсатора 2 имеется кварцевое окно 4, служащее для прохождения ультра- Фиолетового излучения от ионизатора 9. Пластины конденсатора 2 заключены в металлический кожух для исключения влияния движения воздуха окружающей среды на движение капель 6 и защиты от внешних электрических полей. Камера имеет застекленные окна 14 и 7 для прохождения пучка света от осветителя 15 и наблюдения за движением капель 6 с помощью микроскопа 8. Так как оси осветителя микроскопа 8 расположены под углом 30°, то свет в микроскоп 8 попасть не может. При появлении капель 6 в зоне наблюдения происходит рассеяние света каплями 6, позволяющее наблюдать капли 6 на темном фоне. Пролетая от распылителя 5 до зоны наблюдения, многие капли 5 оказываются заряженными в результате трения о воздух. Значения радиусов капель 6 и их зарядов могут находиться в очень широком диапазоне. Задача экспериментатора - выбрать такую каплю 6, которая имеет как можно меньший заряд, но не слишком малую массу, чтобы пренебречь броуновским движением по сравнению с направленным. Каплю 6 останавливают, подавая на пластины конденсатора 2 напряжение Ui. С помощью окулярной шкалы микроскопа 8 фиксируют координату Xi выбранной капли 6. Затем включается напряжение U2 и капля 6 начинает движение. По истечении фиксированного промежутка времени на пластины конденсатора 2 подают прежнее напряжение. Капля 6 останавливается вновь в точке с координатой Х2, которую определяют с помощью окулярной шкалы микроскопа 8. Затем меняют заряд капли 6 с помощью ионизатора 9, о чем судят по появлению движения капли,

В качестве конкретного примера выполнения предложенного способа измерения

заряда электрона проведем измерения на описанной выше установке. Расстояние между пластинами конденсатора 2 составляет 0,22 см. После настройки освещения от осветителя 15, позволяющего видеть капли 6, настройки на резкость окулярной шкалы микроскопа 8, были осуществлены следующие режимы:

1.Выбор капли б и установление напря- жения Ui, необходимого для остановки капли 6. Измерение координаты XL

2.Режим свободного падения. Капля 6 падает в присутствии поля, которое отключается на время t 8,6 с.

3. Время измерения пути, пройденного каплей 6, производится измерителем времени 13.

4. По истечении времени t напряжение

уменьшается до нуля, после чего на пластины конденсатора 2 вновь подается напряжение EL необходимое для остановки капли 6. Измеряют координату Х2 за фиксированный промежуток времени.

4.Перезарядка капли 6 с помощью ионизатора 9. Под действием ультрафиолетовых лучей капля 6 меняет заряд и начинает двигаться. Устанавливая напряжение UL добиваются остановки капли 6.

5. Повторяют операции по пунктам 1 - 4 многократно для набора статистики.

За один час работы по новой методике снимают до 70 замеров без особого напряжения органов зрения. По способу-прототипу для выполнения такого же числа замеров требовалось приблизительно в 5 раз больше времени,

Формула изобретения Способ определения заряда электрона,

включающий введение заряженной капли жидкости между заряженными пластинами, многократное определение скорости движения капли между пластинами при различ- ной величине электрического заряда на капле, отличающийся тем, что, с целью снижения трудоемкости, определение скорости движения осуществляют путем фиксации пути, пройденного каплей за заданное время, при этом в конце пути каплю останавливают воздействием на нее электрического поля, после чего осуществляют повторение измерений при сообщении капле иного электрического заряда.

Изобретение относится к общей физике и может быть использовано в лабораторном практикуме по курсу Электричество. Целью изобретения является снижение трудоемкости измерений. Поставленная цель достигается тем, что в способе определения заряда электрона, включающем введение заряженной капли жидкости между заряженными пластинами и многократное определение скорости движения капли между пластинами при различной величине электрического заряда на капле, определение скорости движения осуществляют путем фиксации пути, пройденного каплей за заданное время, при этом в конце пути каплю останавливают воздействием на нее электрического поля, после чего осуществляют повторение измерений при сообщении капле иного электрического заряда 2 ил.

Фиг.1