Работа 12. Определение заряда электрона

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

1. Ознакомление с работой вакуумного диода и его вольтамперной характеристикой.

2. Определение заряда электрона методом задерживающего электрического поля между

электродами диода

 

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

 

Заряд электрона е является одной из фундаментальных постоянных, определяя наименьшее значение электрического заряда, наблюдаемого у элементарных частиц. Заряд любого тела кратен элементарному заряду: q = e N

Из законов Фарадея для электролиза ирландский физик Стоней рассчитал значение элементарного заряда е = 1,6 * 10^-19 Кл. В 1891 году Стоней предложил назвать эту минимальную порцию электричества электроном.

В 1897 году английский физик Дж.Томсон, исследуя катодные лучи открыл первую элементарную частицу вещества, обладающую отрицательным зарядом. В 1909 году из результатов эксперимента американский физик Р.Милликен точно определил заряд этой эле-

ментарной частицы, и он оказался равен элементарному заряду, предсказанному Стонеем. Элементарная частица получила название электрона.

Открытие электрона, изучение явлений, связанных с электроном и его движением, позволило не только объяснить с единых позиций самые разнообразные физические явления: электричество и магнетизм, свет и электромагнитные колебания, строение атома и излучение атомом света -, но и предсказать новые явления и свойства вещества, приведших к появлению новой квантовой физики в ХХ веке.

В данной работе рассматривается поведение электронов в вакууме. В диоде электроны появляются в вакуумном промежутке между электродами в результате термоэлектронной эмиссии из катода.

Электрическое поле между электродами создает ток в анодной цепи I_a, заставляя электроны двигаться направленно от катода к аноду. Характер зависимости силы тока i_a от напряжения U между электродами при постоянной температуре Т катода показан на рис.25.

При U = 0 часть электронов, вылетающих из катода с некоторым запасом кинетической энергии W, достигают анода. В результате этого ток в анодной цепи не равен нулю.

Если создать электрическое поле, то в зависимости от направления поля анодный ток будет увеличиваться (при U > 0) или уменьшаться до нуля (при U < 0) при изменении напряжения.

При U <0 потенциал катода меньше потенциала анода, поле тормозит электроны. При некотором значении U=U_з ток через диод прекратится, это значит, что электроны возвращаются полем к катоду и не попадают на анод.

Зависимость силы тока на участке от U=0 до U=U_з имеет вид:

 

(47)

 

где I₀ - сила анодного тока при U=0, T - абсолютная температура электронов возле катода, k - постоянная Больцмана.

Прологарифмировав (47) получим, что зависимость lnI_a от U имеет линейный характер:

или y = ax + b

 

где x = U, (48)

 

Для графика ln I_a = f(U) a = tg , где - угол наклона графика:

 

(49)

 

Приравняв выражения (48) и (49), получим формулу для расчета заряда электрона е:

e = kT a = kT (50)

Абсолютную температуру Т электронов можно определить исходя из условия, что при термоэлектронной эмиссии электроны находятся в тепловом равновесии с катодом. При этом температуру электронов можно считать равной температуре катода, которую можно найти из

температурной зависимости сопротивления R катода(см.на установке)

 

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

 

Схема установки дана на рис.26. Электрическая цепь собрана в корпусе за исключением вольтметра V₁ и источника тока , которые подключаются к клеммам на передней панели установки. Здесь же выведены ручки регулирования анодного тока I_a резистором R₁ и на-

кала катода резистором R₂. На передней панели находятся также микроамперметр анодной цепи A, вольтметр V₂ и миллиамперметр mA цепи накала катода.

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

1. Проверить электрическую цепь и включить питание.

2. Установить ручкой "накал катода" силу тока I _н = 0,3 A, U_н = 6 B и прогреть катод в

течение 5 минут.

3. Снять зависимость анодного тока I_а от анодного напряжения U_а с шагом 2 мкА,

пользуясь ручкой регулирования анодного тока I_a.

 

4. Построить график зависимости lnI _a = f(U) и определить по нему тангенс угла наклона tg = a.

5. Вычислить значение сопротивления R нити накала в нагретом состоянии по показаниям вольтметра V₂ и милллиамперметра mA в цепи накала катода, используя закон Ома:

6. Определить температуру катода Т по графику на установке.

7. Рассчитать заряд электрона е по формуле (50)

8. Сравнить полученное значение с табличным. Оценить погрешность экспериментального значения е.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Что такое термоэлектронная эмиссия?

2. Какую зависимость имеет анодный ток от напряжения между катодом и анодом?

3. В чем заключается метод задерживающего поля в данной работе?

 

ЛИТЕРАТУРА: [2 §1; 6 § 157; 5.c. 757,876]