книги2 / 156

Электрорадиотехника

сатора. Затем проверяется линейная зависимость между зарядом и напряжением на плоском конденсатора. Данные измерений позволяют определить электрическую постоянную ε0, используя уравнение (4). Убедитесь, что во время измерений вы не находитесь рядом с конденсатором, так как в противном случае электрическое поле конденсатора может быть искажено.

Во второй части исследуется зависимость заряда электростатической индукции от напряжения с пластиковой­ пластиной и без нее (без воздушного за­ зора!) В пространстве между пластинами при одинаковом расстоянии между пластинами. Соотношение между зарядами электростатической индукции по­ зволяет определить диэлектрическую проницаемость пластика. Диэлектрическая проницаемость стеклянной­ пластины определяется аналогичным образом.

3. Измерение электрической постоянной. По результатам эксперимента заполните таблицы 21, 22.

Таблица 21 – Данные эксперимента

При: A=0,0531 м2, UC=1,5 кВ, C=218 нФ

U, В

d,см

1/d, см-1

Q, нКл

ε0,пК/Вм

101

Н.А. Антонова

Таблица 22 – Данные эксперимента

При: A=0,0531 м2, d=0,2 см, C=218 нФ

UC, кВ

U, В

Q, нКл

ε0,пК/Вм

4. Измерение диэлектрическая проницаемости. По результатам эксперимента заполните таблицы 23, 24.

Таблица 23 – Данные эксперимента

Пластик, при: A=0,0531 м2, d=0,98 см, C=218 нФ

UC, кВ

U, В

Q, нКл

Q d/Aε0 1/Uc

Uvac, B

Qvac, нКл

Q/Qvac

102

Электрорадиотехника

Таблица 24 – Данные эксперимента

Стекло, при: A=0,0531 м2, d=0,17 см, C=218 нФ

UC, кВ

U, В

Q, нКл

Q d/Aε0 1/Uc

Uvac, B

Qvac, нКл

Q/Qvac

5. Вывод.

Дополнительная информация

PHYWE excellence in science. URL: https:// www.phywe.com/ru/eksperimenty-i-nabory/universi- tet_9228_10159/ (дата обращения: 24.03.2023 г.).

Терминологический минимум: электрическая по­ стоян­ная,­ диэлектрическая проницаемость, емкость конденсатора, конденсатор, плоский конденсатор, диэлектрик.

103

Н.А. Антонова

3.10. Лабораторная работа 10. Элементарный заряд и опыт Милликена

План работы:

1.Познакомитесь с установкой (рис. 47), опишите

еепо плану.

Рис. 47

План изучения приборов:

•Назначение прибора.

•При нцип действия прибора (какое явление или закон положен в основе работы прибора).

•Схема устройства прибора (его основные части, их назначение).

•Правила пользования прибором.

•Область применения прибора.

2.Экспериментальная часть «Элементарный заряд

иопыт Милликена».

104

Электрорадиотехника

3.Предложите практическую работу и задание

кданной установке для школьников.

Экспериментальная часть «Элементарный заряд

иопыт Милликена»

Цель работы: определение электрического заряда, переносимого частицей, при измерении силы, действующей на частицу в электрическом поле известной силы.

Оборудование: экспериментальная установка «Эле­ ментарный заряд и опыт Милликена».

Пояснение к эксперименту:

В 1909 году Роберт Милликан провел эксперимент по определению заряда электрона, сравнивая при­ ложенное напряжение с изменениями в движении капельмасла,чтопозволилоопределитьэлектрический заряд на каждой капельке. Это привело к выводу, что все капли имели заряды, которые были простыми кратными постоянному числу, фундаментальному заряду электрона, который обозначается как e или qe.

е = 1,602 10-19 Кл

Этот метод убедительно доказал, что электриче­ ский заряд всегда кратен заряду электрона.

Элементарный заряд – это электрический заряд, переносимый одним электроном или протоном. Атомы вещества электрически нейтральны, поскольку их ядра содержат такое же количество протонов, что и электронов, окружающие ядро. Таким образом,

105

Н.А. Антонова

заряд всегда кратен заряду электрона или протона, фундаментальной физической постоянной.

Заряженные капли масла между пластинами конденсатора, находящиеся под действием электрического поля и силы тяжести, ускоряются за счет приложенного напряжения. Элементарный заряд определяется по скорости капли в направлении силы тяжести и в противоположном направлении.

Сила F, действующая на каплю радиуса r, движущуюся со скоростью v в вязкой жидкости с вязкостью η, равна:

F = 6π r ηv (закон Стокса).

Капелька масла массы m объёмом V и плотностью p1 находится в гравитационном поле Земли:

F = mg = p1Vg .

Выталкивающая сила (сила Архимеда) определяется выражением:

F = p2Vg .

Сила электрического поля равна:

U . F = QE = Q ––

d

Из суммы сил, действующих на заряженную частицу, вычисляются скорости падения и подъема капель v1 и v2 соответственно:

106

Электрорадиотехника

Вычитание или сложение этих уравнений дает радиус и заряд капли.

Отсюда получаем:

Заряд капель имеет определенные значения, кратные элементарному заряду е:

Q = n e

Порядок проведения эксперимента

1. Источник питания обеспечивает необходимое напряжение для аппарата Милликена. Подключите источник света к розеткам 6,3 В переменного тока.

Сначала откалибруйте окуляр микрометра. Последовательно соедините фиксированный (300 В пост. тока) и регулируемый (от 0 до 300 В пост. тока) выходы и получите напряжение более 300 В постоянного тока.

Переключатель коммутатора используется для изменения полярности конденсатора.

107

Н.А. Антонова

Калибровка окуляра микрометра: масштаб 30 дел. = 0.89 мм.

2. Установите напряжение на конденсаторе

впределах от 300 до 500 В.

Спомощью распылителя впрысните капли масла между пластинами конденсатора.

Выберите капельку масла и, нажав на переключатель, переместите капельку между верхним и нижним делениями на окуляре микрометра. При необходимости откорректируйте фокусировку микроскопа.

Измерьте время падения и подъема 20 капель.

3. При выборе капли обратите внимание на следующие критерии:

•Капля не должна двигаться слишком быстро, тогда у нее будет небольшой заряд (на путь 30 дел потребуется примерно 1… 3 с).

•Капля не должна двигаться слишком медленно

ине должна раскачиваться. При необходимости увеличьте напряжение на конденсаторе.

•Подсчитайте время подъема с помощью первого секундомера.

•Подсчитайте время падения с помощью второго секундомера.

•Добавленное время в обоих случаях должно быть больше 5 с.

4. По известным постоянным значениям опре­ деляются C1 и C2:

108

Электрорадиотехника

Таблица 25 – Табличные значения величин во время эксперимента

Наблюдают движение заряженной капли масла в электрическом поле конденсатора и определяют скорости.

5. По результатам эксперимента заполните таблицу 26.

Таблица 26 – Данные эксперимента

6. Вывод.

109

Н.А. Антонова

Дополнительная информация

PHYWE excellence in science. URL: https://www. phywe.com/ru/eksperimenty-i-nabory/eksperimenty- nobelevskih-laureatov_9229_10160/ (дата обращения: 24.03.2023 г.).

Терминологический минимум: элементарный заряд, заряд электрона, сила тяжести, конденсатор, электрическое поле, сила Архимеда, закон Стокса, микрометр, микроскоп, плотность.

110