Вимірювання електричного заряду
Вимірювання електричного заряду. досвід Міллікена
Одна з фундаментальних постійних у фізиці - елементарний електричний заряд. Це скалярна величина, що характеризує здатність фізичних тіл брати участь в електромагнітній взаємодії.
Елементарним електричним зарядом прийнято вважати найменший позитивний або негативний заряд, який неможливо розділити. Його величина дорівнює величині заряду електрона.
Те, що будь-який зустрічається в природі електричний заряд завжди дорівнює цілому числу елементарних зарядів, в 1752 р припустив відомий політичний діяч Бенджамін Франклін, політик і дипломат, який займався ще й наукової і винахідницької діяльністю, перший американець, який став членом української академії наук.
Якщо припущення Франкліна вірно, і електричний заряд будь-якого зарядженого тіла або системи тіл складається з цілого числа елементарних зарядів, то цей заряд може змінюватися стрибкоподібно на величину, яка містить ціле число зарядів електрона.
Вперше це вдалося підтвердити і досить точно визначити заряд електрона досвідченим шляхом американському вченому, професору Чиказького університету, Роберту Міллікену.
досвід Міллікена
Схема досвіду Міллікена
Свій перший знаменитий досвід з краплями масла Міллікен провів в 1909 році разом зі своїм помічником Харві Флетчером. Кажуть, що спочатку досвід планували робити за допомогою крапель води, але вони зникли за кілька секунд, чого виявилося явно мало, щоб отримати результат. Тоді Міллікен відправив Флетчера в аптеку, де той придбав пульверизатор і бульбашка масла для годин. Цього виявилося достатньо, щоб спроба вдалася. Згодом Міллікен отримав за нього Нобелівську премію, а Флетчер докторську ступінь.
У чому ж полягав експеримент Міллікена?
Наелектризована крапелька масла під впливом сили тяжіння падає вниз між двома металевими пластинами. Але якщо між ними створити електричне поле, то воно утримає крапельку від падіння. Вимірявши силу електричного поля, можна визначити заряд краплі.
Дві металеві пластини конденсатора експериментатори помістили усередині судини. Туди ж за допомогою пульверизатора вводилися дрібні крапельки масла, які заряджалися негативно під час розбризкування в результаті їх тертя об повітря.
У відсутності електричного поля крапелька падає
Під дією сили тяжіння Fw = mg крапельки починали падати вниз. Але так вони перебувала не в вакуумі, а в середовищі, то вільно падати їм заважала сила опору повітря Fres = 6πηrv 0. де η - в'язкість повітря. Коли Fw і Fres врівноважувалися, падіння ставало рівномірним зі швидкістю v 0. Вимірявши цю швидкість, вчений визначив радіус краплі.
Капелька "ширяє" під дією електричного поля
Якщо в момент падіння крапельки на пластини подавалося напруга таким чином, що верхня пластина отримувала позитивний заряд, а нижня негативний, падіння припинялося. Йому перешкоджало виникло електричне поле. Крапельки немов зависали. Це відбувалося, коли сила Fr врівноважувалася силою, що діє з боку електричного поля Fr = eE,
де Fr - результуюча сили тяжіння і сили Архімеда.
Так як домогтися того, щоб крапелька довго залишалася в нерухомому стані, було дуже складно, то Міллікен і Флетчер створювали таке поле, в якому крапелька після зупинки починала рухатися вгору з дуже малою швидкістю v. В цьому випадку
Досліди повторювалися багаторазово. Заряди крапельок повідомляли, опромінюючи їх рентгенівської або ультрафіолетової установкою. Але всякий раз загальний заряд краплі завжди дорівнював декільком елементарним зарядам.
У 1911 р Міллікен встановив, що величина заряду електрона дорівнює 1,5924 (17) х 10 -19 Кл. Вчений помилився всього на 1%. Сучасне його значення становить 1,602176487 (10) х 10 -19 Кл.
досвід Іоффе
Абрам Федорович Іоффе
Потрібно сказати, що практично одночасно з Міллікеном, але незалежно від нього, подібні досліди проводив український фізик Абрам Федорович Іоффе. І його експериментальна установка була схожа на установку Милликена. Але з посудини відкачувався повітря, і в ньому створювався вакуум. А замість крапельок масла Іоффе використовував дрібні заряджені частинки цинку. За їх рухом спостерігали в мікроскоп.
3 - металеві пластини
5 - ультрафіолетовий випромінювач
Під дію електростатичного поля порошинка цинку здійснювала падіння. Як тільки сила тяжіння порошинки ставала дорівнює силі, що діє на неї з боку електричного поля, падіння припинялося. Поки заряд пилинки не змінювався, вона продовжувала висіти нерухомо. Але якщо на неї впливали ультрафіолетовим світлом, то її заряд зменшувався, і рівновагу порушувалося. Вона знову починала падати. Тоді збільшували величину заряду на пластинах. Відповідно збільшувалася електричне поле, і падіння знову зупинялося. Так робили кілька разів. В результаті з'ясували, що кожен раз заряд пилинки змінювався на величину, кратну величину заряду елементарної частинки.
Величину заряду цієї частки Іоффе не розрахував. Але, провівши подібний досвід в 1925 році разом з фізиком Н.І. Добронравовим, кілька видозмінивши дослідну установку і використавши замість цинку порошинки вісмуту, він підтвердив теорію фотоефекту.