Электрический заряд. Закон Кулона

Определение 1

Многие из окружающих нас физических явлений, происходящих в природе, не находят объяснения в законах механики, термодинамики и молекулярно-кинетической теории. Такие явления основываются на влиянии сил, действующих между телами на расстоянии и независимых от масс взаимодействующих тел, что сразу отрицает их возможную гравитационную природу. Данные силы называются электромагнитными.

Еще древние греки имели некоторое представление об электромагнитных силах. Однако только в конце XVIII века началось систематическое, количественное изучение физических явлений, связанных с электромагнитным взаимодействием тел.

Определение 2

Благодаря кропотливому труду большого количества ученых в XIX веке было завершено создание абсолютно новой стройной науки, занимающейся изучением магнитных и электрических явлений. Так один из важнейших разделов физики, получил название электродинамики.

Создаваемые электрическими зарядами и токами электрические и магнитные поля стали ее основными объектами изучения.

Электрическое поле

Понятие заряда в электродинамике играет ту же роль, что и гравитационная масса в механике Ньютона. Оно входит в фундамент раздела и является для него первичным.

Определение 3

Электрический заряд представляет собой физическую величину, которая характеризует свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.

Буквами q или Q в электродинамике обычно обозначают электрический заряд.

В комплексе все известные экспериментально доказанные факты дают нам возможность сделать следующие выводы:

Определение 4

Существует два рода электрических зарядов. Это, условно названные, положительные и отрицательные заряды.

Определение 5

Заряды могут переходить (к примеру, при непосредственном контакте) между телами. Электрический заряд, в отличие от массы тела, не является его неотъемлемой характеристикой. Одно конкретное тело в различных условиях может принимать разное значение заряда.

Определение 6

Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В данном факте проявляется очередное принципиальное различие электромагнитных и гравитационных сил. Гравитационные силы всегда представляют собой силы притяжения.

Закон сохранения электрического заряда является одним из фундаментальных законов природы.

В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел неизменна:

q1+q2+q3+…+qn=const.

Определение 7

Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака.

С точки зрения современной науки, носителями зарядов являются элементарные частицы. Любой обычный объект состоит из атомов. В их состав входят несущие положительный заряд протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы – нейтроны. Протоны и нейтроны яв

zaochnik.com

Электрический заряд — Википедия

Электри́ческий заря́д (коли́чество электри́чества) — это физическая скалярная величина, определяющая способность тел быть источником электромагнитных полей и принимать участие в электромагнитном взаимодействии.
Впервые электрический заряд был введён в законе Кулона в 1785 году.

Единица измерения заряда в Международной системе единиц (СИ) — кулон — электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника с током 1 А за время 1 с.
Заряд в один кулон очень велик. Если бы два носителя заряда (q1 = q2 = 1 Кл) расположили в вакууме на расстоянии 1 м, то они взаимодействовали бы с силой 9·109H, то есть с силой, с которой гравитация Земли притягивает предмет массой порядка 1 миллиона тонн.

История

Бенджамин Франклин проводит свой знаменитый опыт с летающим змеем, в котором доказывает, что молния — это электричество.

Ещё в глубокой древности было известно, что янтарь (др.-греч. ἤλεκτρον — электрон), потёртый о шерсть, притягивает лёгкие предметы. А уже в конце XVI века английский врач Уильям Гильберт назвал тела, способные после натирания притягивать лёгкие предметы, наэлектризованными.

В 1729 году Шарль Дюфе установил, что существует два рода зарядов. Один образуется при трении стекла о шёлк, а другой — смолы о шерсть. Поэтому Дюфе назвал заряды «стеклянным» и «смоляным» соответственно. Понятие о положительном и отрицательном заряде ввёл Бенджамин Франклин.

В начале XX века американский физик Роберт Милликен опытным путём показал, что электрический заряд дискретен, то есть заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда.

Видео по теме

Электростатика

Электростатикой называют раздел учения об электричестве, в котором изучаются взаимодействия и свойства систем электрических зарядов, неподвижных относительно выбранной инерциальной системы отсчета.

Величина электрического заряда (иначе, просто электрический заряд) может принимать и положительные, и отрицательные значения; она является численной характеристикой носителей заряда и заряженных тел. Эта величина определяется таким образом, что силовое взаимодействие, переносимое полем между зарядами, прямо пропорционально величине зарядов, взаимодействующих между собой частиц или тел, а направления сил, действующих на них со стороны электромагнитного поля, зависят от знака зарядов.

Электрический заряд любой системы тел состоит из целого числа элементарных зарядов, равных примерно 1,6·10−19Кл[1] в системе СИ или 4,8·10−10ед. СГСЭ[2]. Носителями электрического заряда являются электрически заряженные элементарные частицы. Наименьшей по массе устойчивой в свободном состоянии частицей, имеющей один отрицательный элементарный электрический заряд, является электрон (его масса равна 9,11·10−31 кг). Наименьшая по массе устойчивая в свободном состоянии античастица с положительным элементарным зарядом — позитрон, имеющая такую же массу, как и электрон[3]. Также существует устойчивая частица с одним положительным элементарным зарядом — протон (масса равна 1,67·10−27 кг) и другие, менее распространённые частицы. Выдвинута гипотеза (1964 г.), что существуют также частицы с меньшим зарядом (±⅓ и ±⅔ элементарного заряда) — кварки; однако они не выделены в свободном состоянии (и, по-видимому, могут существовать лишь в составе других частиц — адронов), в результате любая свободная частица несёт лишь целое число элементарных зарядов.

Электрический заряд любой элементарной частицы — величина релятивистски инвариантная. Он не зависит от системы отсчёта, а значит, не зависит от того, движется этот заряд или покоится, он присущ этой частице в течение всего времени её жизни, поэтому элементарные заряженные частицы зачастую отождествляют с их электрическими зарядами. В целом, в природе отрицательных зарядов столько же, сколько положительных. Электрические заряды атомов и молекул равны нулю, а заряды положительных и отрицательных ионов в каждой ячейке кристаллических решеток твёрдых тел скомпенсированы.

Взаимодействие зарядов

Взаимодействие зарядов: одноимённо заряженные тела отталкиваются, разноимённо — притягиваются друг к другу

Самое простое и повседневное явление, в котором обнаруживается факт существования в природе электрических зарядов, — это электризация тел при соприкосновении[4]. Способность электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется существованием двух различных видов зарядов[5]. Один вид электрического заряда называют положительным, а другой — отрицательным. Разноимённо заряженные тела притягиваются, а одноимённо заряженные — отталкиваются друг от друга.

При соприкосновении двух электрически нейтральных тел в результате трения заряды переходят от одного тела к другому. В каждом из них нарушается равенство суммы положительных и отрицательных зарядов, и тела заряжаются разноимённо.

При электризации тела через влияние в нём нарушается равномерное распределение зарядов. Они перераспределяются так, что в одной части тела возникает избыток положительных зарядов, а в другой — отрицательных. Если две эти части разъединить, то они будут заряжены разноимённо.

Закон сохранения электрического заряда

Электрический заряд замкнутой системы[6] сохраняется во времени и квантуется — изменяется порциями, кратными элементарному электрическому заряду, то есть, другими словами, алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц, образующих электрически изолированную систему, не изменяется при любых процессах, происходящих в этой системе.

В рассматриваемой системе могут образовываться новые электрически заряженные частицы, например, электроны — вследствие явления ионизации атомов или молекул, ионы — за счёт явления электролитической диссоциации и др. Однако, если система электрически изолирована, то алгебраическая сумма зарядов всех частиц, в том числе и вновь появившихся в такой системе, всегда сохраняется.

Закон сохранения электрического заряда — один из основополагающих законов физики. Он был впервые экспериментально подтверждён в 1843 году английским учёным Майклом Фарадеем и считается на настоящее время одним из фундаментальных законов сохранения в физике (подобно законам сохранения импульса и энергии). Всё более чувствительные экспериментальные проверки закона сохранения заряда, продолжающиеся и поныне, пока не выявили отклонений от этого закона.

Свободные заряды

В зависимости от концентрации свободных зарядов тела делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники.

  • Проводники — это тела, в которых электрический заряд может перемещаться по всему его объёму. Проводники делятся на две группы: 1) проводники первого рода (металлы), в которых перенос зарядов (свободных электронов) не сопровождается химическими превращениями; 2) проводники второго рода (например, расплавленные соли, растворы кислот), в которых перенос зарядов (положительных и отрицательных ионов) ведёт к химическим изменениям.
  • Диэлектрики (например стекло, пластмасса) — тела, в которых практически отсутствуют свободные заряды.
  • Полупроводники (например, германий, кремний) занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Измерение

Простейший электроскоп

Для обнаружения и измерения электрических зарядов применяется электроскоп, который состоит из металлического стержня — электрода и подвешенных к нему двух листочков фольги. При прикосновении к электроду заряженным предметом заряды стекают через электрод на листочки фольги, листочки оказываются одноимённо заряженными и поэтому отклоняются друг от друга.

Также может применяться электрометр, в простейшем случае состоящий из металлического стержня и стрелки, которая способна вращаться вокруг горизонтальной оси. При соприкосновении заряженного тела со стержнем электрометра электрические заряды распределяются по стержню и стрелке, и силы отталкивания, действующие между одноимёнными зарядами на стержне и стрелке, вызывают её поворот. Для измерения малых зарядов используются более чувствительные электронные электрометры.

См. также

Литература

Примечания

  1. ↑ Или, более точно, 1,602176487(40)·10−19 Кл.
  2. ↑ Или, более точно, 4,803250(21)·10−10 ед СГСЭ.
  3. ↑ Обычная для позитрона неустойчивость, связанная с аннигиляцией электрон-позитронной пары, при этом не рассматривается
  4. ↑ Но это далеко не единственный способ электризации тел. Электрические заряды могут возникнуть, например, под действием света
  5. Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Физматлит; Изд-во МФТИ, 2004. — Т. III. Электричество. — С. 16. — 656 с. — ISBN 5-9221-0227-3.
  6. ↑ Электрически замкнутая система — это система, у которой через ограничивающую её поверхность не могут проникать электрически заряженные частицы (система, не обменивающаяся зарядами с внешними телами).

wiki2.red

Основы электростатики. Определение заряда, элементарного заряда. Формула

Электростатика – раздел физики о свойствах и взаимодействиях электрических зарядов, неподвижных относительно избранной для их изучения инерциальной системы отсчёта.

Таким образом, мы должны определить понятие заряда. Заряд — физическая величина, свойство частиц или тел, обнаруживающееся при взаимодействии с другими заряженными телами и/или электромагнитными полями. Единица измерения заряда — Кл (кулон).

Заряды разделяют на 2 типа: положительные и отрицательные. Основная разница между ними в способах их получения. Показано, что существует элементарный заряд, т.е. заряд, меньше которого быть не может. Таким зарядом обладают две частицы, которые изучаются в школьной физике:

  1. Электрон (отрицательно заряженная частица). Заряд электрона обозначается и равен Кл.
  2. Протон (положительно заряженная частица). Заряд протона обозначается и равен Кл.

Данные частицы входят в состав атомов  — структурных единиц вещества. Атом состоит из ядра (тяжёлое тело в центре, состоящее из протонов и нейтронов) и движущихся вокруг него на разных расстояниях и по различных траекториям электронов. В классической ситуации количество протонов численно равно количеству электронов, а т.к. заряды этих частиц по модулю равны, то и атом можно считать электронейтральным (не несущим заряда).

Таким образом, тела, состоящие из данных атомов, также обычно электронейтральны. Однако под воздействием ряда внешних и внутренних факторов, часть электронов имеет возможность вырваться из своих атомов и стать свободными частицами (термоэлектронная эмиссия, фотоэффект, механическое трение, электризация и т.д.). Также возможен выход протонов из ядра (ядерные реакции).

Т.е. существует возможность разделить заряды в теле. Если при этом часть свободных электронов одного электронейтрального тела перевести на другое изначально электронейтральное тело, мы получим отрицательно заряженное тело (с избытком электронов) и положительно заряженное тело (с недостатком электронов).

Более того, исходя из этой логики, можем найти образовавшийся в теле заряд:

(1)

Важно: в случае, если тело приобретает электроны, его заряд становится отрицательным, в случае ,если оно теряет электроны, то положительным. И в том, и в другом случае формула (1) срабатывает, только нужно следить за знаком ответа.

Закон сохранения электрического заряда — алгебраическая сумма электрических зарядов в изолированной системе сохраняется постоянной. Фактически, это определение говорит о том, что заряд не может исчезнуть бесследно или появится из ниоткуда.

Поделиться ссылкой:

www.abitur.by

напишите, пожалуйста определение электрического заряда. ()

– скалярная физическая величина, определяющая интенсивность электромагнитного взаимодействия и связывающая силу этого взаимодействия с расстоянием между взаимодействующими телами. Если заряд какой-либо частицы принять за эталонный, то заряд q любой другой частицы можно определить как величину, численно равную взятому со знаком «+» или «–» отношению модулей сил, действующих на данную частицу, и эталон при их последовательном помещении в одну и ту же точку электростатического поля:

Единица электрического заряда в СИ определяется по-иному. В СИ единица заряда – кулон (1 Кл) , является величиной производной от силы тока.

Электрический заряд характеризует способность носителя этого заряда создавать вокруг себя свое электромагнитное поле и испытывать на себе действие внешних электромагнитных полей.

Электрический заряд – величина, сохраняющаяся для замкнутых систем при любых типах взаимодействий.

Существуют как положительные, так и отрицательные заряды. При этом одноименно заряженные тела (частицы) отталкиваются, а разноименно заряженные – притягиваются.

Электрический заряд – величина инвариантная: во всех системах отсчета заряд данной частицы имеет одну и ту же величину.

Электрический заряд аддитивен, т. е. заряд любой системы равен сумме зарядов составляющих эту систему частиц.

Электрический заряд дискретен, т. е. существует минимальный элементарный электрический заряд е, которому кратны заряды всех наблюдаемых элементарных частиц и макроскопических тел:

Поскольку в каждом атоме суммарный отрицательный заряд электронов точно компенсирует положительный заряд ядра, подавляющее большинство макроскопических тел в обычных условиях электрически нейтральны. Электрическая нейтральность тел нарушается при их электризации.

С квантовой точки зрения заряженные частицы – это частицы, способные испускать или поглощать фотоны. Электрический заряд при этом выступает как физическая величина, значение которой определяет вероятность поглощения или испускания фотона данной частицей.

Электрический заряд,
источник электромагнитного поля, связанный с материальным носителем; внутренняя характеристика элементарной частицы, определяющая её электромагнитные взаимодействия. Э. з. — одно из основных понятий учения об электричестве. Вся совокупность электрических явлений есть проявление существования, движения и взаимодействия Э. з.

Электри́ческий заря́д — количественная характеристика, показывающая степень возможного участия тела в электромагнитном взаимодействии. Единица измерения заряда в СИ — кулон, в СГС — единица электрического заряда СГСЭ. Впервые электрический заряд был введен в законе Кулона в 1785 году.

Носителями электрического заряда являются электрически заряженные элементарные частицы, в том числе электрон (один отрицательный элементарный электрический заряд) и протон (один положительный элементарный заряд) .

Электрический заряд замкнутой системы [1] сохраняется во времени и квантуется — изменяется порциями, кратными элементарному электрическому заряду. Закон сохранения заряда — один из основополагающих законов физики.

Современное определение заряда:
«Электри́ческий заря́д — это физическая скалярная величина, определяющая способность тел быть источником электромагнитных полей и принимать участие в электромагнитном взаимодействии.»
Определение дано через термин «электромагнитное поле» и «электромагнитные взаимодействия».
Смотрим их определения:
«Электрическое поле — одна из составляющих электромагнитного поля; особый вид материи, существующий вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом.» и «Электромагнитное взаимодействие существует между частицами, обладающими электрическим зарядом»
Оба эти понятия определяются через заряд.
Это как масло масленое. Что такое снег — это когда холодно. Что такое холодно — это когда снег.

touch.otvet.mail.ru

Формула электрического заряда, q

Определение и формула электрического заряда

Фундаментальным свойством электрического заряда является существование двух видов зарядов: положительных и отрицательных. Заряды, имеющие один знак, отталкиваются. Взаимодействие зарядов разного знака определяют как притяжение. Телу можно сообщить заряд любого знака. В макроскопическом теле заряды разных знаков могут взаимно компенсировать друг друга.

Электрический заряд является релятивистски инвариантной величиной. Это значит, что величина заряда не зависит от системы отсчета, не важно, движется заряд (заряженное тело) или покоится.

Электрический заряд тела находят как суммарный заряд его частей.

Разделения электрических зарядов разных знаков можно добиться путем электризации посредством непосредственного контакта тел (например, трением) или без контакта, например посредством электрической индукции. При зарядке тела, мы создаем на нем избыток электронов или недостаток в сравнении с их нормальным количеством, при котором тело не имеет заряда. При этом электроны берутся у другого тела или удаляются из заряжаемого тела, но не уничтожаются или создаются. Важно запомнить, что процесс зарядки и разрядки тел является процедурой перераспределения электронов, при этом общее их число не изменяется.

При соединении заряженного проводника с незаряженным, заряд перераспределяется между обоими телами. Допустим, что одно тело несет отрицательный заряд, его соединяют с незаряженным телом. Электроны заряженного тела под воздействием сил взаимного отталкивания переходят на незаряженное тело. При этом заряд первого тела уменьшается, заряд второго увеличивается, до тех пор, пока не наступит равновесие.

Элементарный заряд

Немецкий физик и физиолог Г. Гельмгольц обратил внимание на то, что заряды, которые переносят ионы при явлении электролиза, являются целыми, кратными некоторой величине, равной Кл. Каждый одновалентный ион переносит такой заряд. Любой двухвалентный ион несет заряд, равный Кл, и так далее. Гельмгольц сделал вывод о том, что заряд Кл является минимальным количеством электричества, которое существует в природе. Данный заряд получил название элементарного заряда.

Закон сохранения заряда

Закон сохранения заряда является фундаментальным законом природы. Он был установлен на основании обобщения экспериментальных данных. Подтвержден в 1843 г. английским физиком М. Фарадеем.

Формулировка закона: В любой замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов – это неизменная величина, и не важно, какие процессы происходят в этой системе:

   

где N – количество зарядов.

Закон Кулона

На вопрос: С какими силами взаимодействуют неподвижные точечные заряды? Отвечает закон Кулона, который можно записать в виде формулы как:

   

где – сила, с которой заряд действует на заряд ; – радиус вектор, который проведен от второго заряда к первому; – электрическая постоянная; – диэлектрическая проницаемость вещества в котором находятся заряды. В соответствии с третьим законом Ньютона первый заряд действует на второй с силой равной по модулю и противоположной по направлению силе Обратите внимание, что заряды в формуле (2) точечные.

Примеры решения задач по теме «Электрический заряд»

ru.solverbook.com

Определение — единица — заряд

Определение — единица — заряд

Cтраница 1

Определение единицы заряда следует теперь непосредственно из уравнения ( 1): единицей заряда называется такой заряд, который при помещении в вакуум на расстоянии одного сантиметра от равного ему заряда отталкивает его с силой в одну дину.
 [1]

Определение единицы заряда влечет за собой выбор системы единиц. В физике наиболее распространена так называемая гауссова или СГС система, в электро — и радиотехнике — система СИ. В гауссовой системе в законе Кулона (3.1) коэффициент пропорциональности k полагается равным единице.
 [2]

Если взять любое произвольное определение единицы заряда, можно экспериментально определить постоянную ео, входящую в уравнение (18.14), скажем, измеряя силу между двумя неподвижными единичными зарядами по закону Кулона. Мы должны также определить экспериментально постоянную еос2, которая появляется в уравнении (18.15), что можно сделать, скажем, измерив силу между двумя единичными токами. Единичный ток означает единичный заряд в секунду.
 [3]

Два заряда, каждый из которых равен 1 СГСЭ, отталкивают друг друга с силой в 1 дин, если расстояние между ними равно 1 см; мы можем рассматривать уравнение ( 1) с k — 1 как определение единицы заряда в системе единиц СГСЭ.
 [4]

Формулы ( 3 1) или ( 3 Г) использованы и в Международной системе СИ, но не для определения ампера ( который вводится в этой системе в качестве основной единицы и определяется иначе, см. § 134), а для определения единицы заряда — кулона. В соответствии с ( 3 Г) один кулон есть электрический заряд, переносимый через поперечное сечение проводника за одну секунду при силе тока в один ампер.
 [5]

Формулы ( 3 1) или ( 3 Г) использованы и в Международной системе СИ, но не для определения ампера ( который вводится в этой системе в качестве основной единицы и определяется иначе, см. § 134), а для определения единицы заряда — кулона. В соответствии с ( 3 Г) один кулон есть электрический заряд, переносимый через поперечное сечение проводника за одну секунду при силе тока в один ампер.
 [6]

Формулы ( 3 1) или ( 3 Г) использованы и в Международной системе СИ, но не для определения ампера ( который вводится в этой системе в качестве основной единицу и определяется иначе, см. § 134), а для определения единицы заряда — кулона. В соответствии с ( 3 1) один кулон есть электрический заряд, переносимый через поперечное сечение проводника за одну секунду при силе тока в один ампер.
 [7]

Здесь же подчеркнем лишь то обстоятельство, что в системе СИ единица электрического заряда является не основной, а производной, она выражается через единицу силы тока. Поэтому мы пока не приводим определения единицы заряда в системе СИ, хотя она тоже называется кулоном и с высокой точностью совпадает с кулоном, определенным как 3 — Ю9 электрических единиц заряда.
 [9]

Здесь же подчеркнем лишь то обстоятельство, что в системе СИ единица электрического заряда является не основной, а производной, она выражается через единицу силы тока. Поэтому мы пока не приводим определения единицы заряда в системе СИ, хотя она тоже называется кулоном и с высокой точностью совпадает с кулоном, определенным как 3 — 10 электростатических единиц заряда.
 [10]

В Международной системе единиц ( СИ) единица силы тока является основной. Из равенства ( 8.1, а) следует определение единицы заряда ( см. § 2 гл.
 [11]

Электрические силы, действующие между зарядами, являются векторами, и их можно складывать по правилу параллелограмма. Опыт показывает, что сила взаимодействия в общем случае зависит от свойств среды, поэтому для определения единицы заряда измеряют силу, действующую в вакууме между двумя одинаковыми зарядами, помещенными на расстоянии одного сантиметра друг от друга. Заряды считаются единичными, если сила взаимодействия между ними равна единице силы. Эти представления о свойствах покоящихся зарядов составляют основу той части учения об электричестве, которая называется электростатикой. Заметим, что вопрос о скорости распространения влияния данного заряда на другие решался по-разному в различные периоды истории науки. Первоначально полагали, что действие заряда, помещенного в данную точку пространства, мгновенно достигает других зарядов в окружающей среде. Максвелла было признано, что передача взаимодействий протекает в промежуточном пространстве с определенной скоростью.
 [12]

Единицы массы и заряда определены различными способами. G является постоянной, которую следует определить экспериментально, если грамм, единица массы, определен независимо. СГСЭ для определения единицы заряда служит сам закон Кулона, Предполагая, что единица массы установлена точно таким же образом, найдите, чему будет равна ваша собственная масса в таких единицах.
 [13]

СИ единица электрического заряда является ые основной, а производной, она выраокается через единицу силы тока. Поэтому мы пока не приводим определения единицы заряда в системе СИ, хотя она тоже, называется кулоном it с высоко точностью совпадает с, кулоном, одределеияьш как 3 — 109 электрических единиц заряда.
 [15]

Страницы:  

   1




www.ngpedia.ru

Определение удельного заряда электрона

Цель работы:
определить удельный заряд электрона
по движению электрона в диоде, помещенном
в магнитном поле.

Оборудование:
плата с диодом и катушкой, блок питания,
вольтметр, миллиамперметр, амперметр.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ
ВВЕДЕНИЕ

Удельный заряд
– это характеристика элементарных
частиц, равная отношению заряда к массе.
В некоторых опытах измерение одновременно
заряда и массы невозможно, но можно
определить удельный заряд, величина
которого позволяет установить частицу.
Удельный заряд электрона можно
определить, например, методом
цилиндрического магнетрона.

Магнетрон
– это электронная лампа, в которой
движением электронов управляет магнитное
поле. Магнетрон применяется в радиотехнике
для генерации сверхвысокочастотных
колебаний. В работе в качестве магнетрона
применяется электронная лампа – диод
1Ц 11П, который помещен в магнитное поле
катушки с током.

Электроны,
испускаемые нагреваемым катодом
вследствие явления термоэлектронной
эмиссии, движутся к аноду под действием
электрического поля. Напряженность
электрического поля максимальна у
катода, а в остальном пространстве
электрическое поле слабое. Поэтому
электроны разгоняются около катода, а
дальше движутся почти с постоянной
скоростью в радиальном направлении к
аноду. Скорость электронов V
можно определить по закону сохранения
энергии. Потенциальная энергия электрона
в электрическом поле при движении от
катода к аноду превращается в кинетическую
энергию:

, (1)

где
е, m
– заряд и
масса электрона; U
– разность потенциалов между катодом
и анодом диода.

Если включить
магнитное поле,
направленное параллельно оси диода,
значит, перпендикулярно вектору скорости,
то на электроны начинает действовать
сила Лоренца

,
(2)

где
B
– индукция магнитного поля.

Направление силы
можно определить по правилу левой руки:
если четыре пальца вытянуть по скорости,
а силовые линии входят в ладонь, то
отогнутый большой палец покажет
направление силы для положительного
заряда. Для отрицательного электрона
– наоборот. Сила Лоренца перпендикулярна
вектору скорости, следовательно,
является центростремительной силой.
Поэтому траектория электрона является
дугой окружности. По второму закону
Ньютона произведение массы электрона
на центростремительное ускорение равно
силе Лоренца:
Отсюда радиус кривизны траектории равен

. (3)

Как
видно, с ростом индукции магнитного
поля радиус кривизны дуги уменьшается
(рис. 1). При некотором значении индукции
магнитного поля, названного критическим
Вкр,
орбита электрона превращается в
окружность, которая касается анода.
Радиус критической орбиты равен половине
радиуса анода
R=r/2.
Если еще увеличить магнитное поле, то
радиус орбиты еще уменьшится, и траектории
электронов не будут касаться анода.
Электроны перестанут попадать на анод,
и сила анодного тока упадет до нуля.

На самом деле
скорости электронов из-за взаимодействия
между собой несколько различны, не все
электроны движутся перпендикулярно
катоду. Поэтому спад анодного тока будет
постепенным: сначала не достигнут анода
медленные электроны, потом более быстрые.
Среднеквадратичной скорости, полученной
из уравнения (1), соответствует участок
наиболее крутого спада графика (рис.
2).

Решая совместно
уравнение (1) и (3) с учетом R=r/2,
получим формулу для расчета удельного
заряда электрона

.
(4)

Индукция магнитного
поля в центре катушки может быть
рассчитана по формуле

,
(5)

где=
4∙10-7
Г/м – магнитная постоянная; N
– число витков катушки; Jкр
– сила критического тока; l
– длина
катушки; β
– угол между
направлением на крайние витки из центра
катушки и её осью.

Экспериментальное
измерение удельного
заряда электрона производится на
лабораторной установке. Она состоит 1)
из модуля с электронной лампой, помещенной
внутрь катушки; 2) блока питания с
амперметром для измерения силы тока в
катушке и вольтметром, 3) миллиамперметра
для измерения силы анодного тока (рис.3).
Модуль и блок питания соединены кабелем.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1. Установить
пределы измерения миллиамперметра 20
мА. Проверить подключение его к модулю
к гнездам «РА». Индикатор должен
показывать нуль.

2. Включить блок
питания в сеть 220 В. Переменными резисторами
установить анодное напряжение в интервале
12–120 В, минимальную силу тока через
катушку (0,5 А). После нагрева катода в
анодной цепи должен появиться ток,
регистрируемый миллиамперметром.

Повторить измерения
силы анодного тока, изменяя силу тока
через катушку в пределах от 0,5 А до 1,5 А
через каждые 0,1 А (одно деление шкалы
амперметра). Результаты записать в табл.
1.

Таблица 1

Сила
тока в катушке Jкат,
А

Сила
анодного тока Jан,
mA

3. Записать в табл.
2 параметры установки и анодное напряжение.
Выключить ммиллиамперметр и блок
питания.

Таблица 2

Радиус
анода r,
мм

6

сos
β

0,
87

Число
витков N

2190

Длина
катушки l,
м

0,167

Напряжение
U,
В

Критический
ток <Jкр>,
А

Индукция
<Вкр>,
Тл

4. Построить график зависимости
силы анодного тока Jан
от силы тока в катушке
Jкат.
Размер графика
не менее половины страницы. На осях
указать равномерный масштаб. Около
точек провести плавную кривую так, чтобы
отклонения точек были минимальны.

5. Определить по
графику среднее значение критической
силы тока в катушке Jкр
как
абсциссу середины участка наиболее
крутого спада анодного тока (рис. 2).
Записать в табл. 2.

6.
Рассчитать по формуле (5) среднее значение
критической индукции магнитного поля
катушки, подставив критическое значение
силы тока.
Записать в табл. 2.

Рассчитать среднее
значение удельного заряда электрона
по формуле (4).

7. Оценить
систематическую погрешность измерения
удельного заряда по формуле

,
(6)

полагая,
что погрешность обусловлена в основном
неточностью определения критического
тока. Принять 2
Jкр
равной ширине участка крутого спада
(рис. 2).

9. Cделать
выводы. Записать результат
.
Сравнить с табличным значением удельного
заряда электронаКл/кг.

КОНТРОЛЬНЫЕ
ВОПРОСЫ

1. Дайте определение
удельного заряда частицы. У какой
частицы удельный заряд максимален?

2. Запишите формулу
силы Лоренца. Как определить направление
силы Лоренца? Поясните на примерах.

3. Запишите уравнение
второго закона Ньютона для движения
электрона в поперечном магнитном поле.

4. Объясните причину
изменения траектории электрона между
катодом и анодом диода по мере увеличения
индукции магнитного поля. Дайте
определение критической индукции.

5. Объясните
зависимость силы анодного тока с ростом
индукции магнитного поля. Почему спад
силы тока происходит не скачком при
критическом значении индукции?

6. Выведите формулу
для расчета удельного заряда электрона
по движению в магнетроне.

Работа 23

studfiles.net

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о