§ 22. Дискретність електричного заряду. Електрон

Досліди Иоффе — Міллікена. Електрон

Дослідження дискретності електричного заряду

ДОСЛІДИ ЙОФФЕ — МІЛЛІКЕНА. ЕЛЕКТРОН. Вивчаючи електричні явища, фізики вже наприкінці XIX ст. дійшли висновку щодо наявності носія елементарного негативного електричного заряду, який дістав назву «електрон». Проте його існування залишалося гіпотезою, оскільки не було підтверджено експериментально.

У 1910—1911 рр. незалежно один від одного російський фізик Абрам Йоффе і американський вчений Роберт Міллікен провели експерименти з дослідження дискретності (подільності) електричного заряду та визначення заряду електрона. У своїх дослідах вчені застосовували установки, принцип дії яких зображено на рис. 22.1.

Експериментальна установка складалася із закритої ємності 2 (захисного кожуха), з відкачаним повітрям до стану вакууму. Усередині ємності перебували дві металеві пластини 3, яким можна було надавати певний заряд. За поведінкою частинок можна було спостерігати через спеціальне віконце за допомогою мікроскопа.

За відсутності електричного поля заряджені частинки у вакуумі будуть рухатися донизу, проте цей процес можна зупинити, якщо зарядити верхню пластину позитивно, а нижню негативно. Регулюючи величину заряду пластин, учені домагалися того, що часточки плавали всередині між пластинами.

Унаслідок опромінювання частинок рентгенівським або ультрафіолетовим випромінюванням частинки втрачали заряд і рухалися донизу, їх знову зупиняли, регулюючи заряд пластин. Такий процес повторювали кілька разів і за спеціальними формулами обчислювали заряд частинок.

У результаті проведених досліджень вдалося виявити, що заряд частинок завжди змінювався стрибками, на строго визнане-

ну певну величину або кратну цій величині, тому було зроблено висновок про існування маленької частинки, що несе на собі неподільний електричний заряд. Цією частинкою є електрон. Найменший електричний заряд прийнято називати елементарним зарядом. (Слово «елементарний» походить від лат. elementarius — первинний, найпростіший, основний.)

Заряд електрона було визначено дослідами англійського фізика Р. Міллікена. Він установив, що електрон має негативний електричний заряд, що дорівнює е = - 1,6 · IO¹⁹ Кл.

Заряд електрона є невід’ємною його властивістю, яка розглядається не само по собі, а тільки разом із цією мікрочастинкою.

ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСКРЕТНОСТІ ЕЛЕКТРИЧНОГО ЗАРЯДУ. Дискретність (подільність) електричного заряду можна дослідити за допомогою електроскопа або електрометра. Виконаємо дослід. Візьмемо два однакові електрометри (рис. 22.2, а). Зарядимо один із них. Зафіксуємо кількість поділок, на яку відхилилася його стрілка. Користуючись металевим провідником із ручкою посередині, виготовленою з діелектрика, з’єднаємо ці електрометри. Під час їх з’єднання частина заряду із зарядженого електрометра переходить на незаряджений. При цьому стрілки обох електрометрів відхиляться на однаковий кут (рис. 22.2, б).

Тобто початковий заряд зарядженого електрометра поділився на дві рівні частини.

Якщо роз’єднати ці електрометри й один із них розрядити, доторкнувшись до його кульки рукою, а потім знову їх з’єднати, заряд поділиться на дві рівні частини.

Ви звернули увагу на те, що в цьому досліді використовувалися два однакові електрометри? Як ви гадаєте, чому? Виявляється, електричний заряд ділиться таким чином, що провідник із біль-

шою площею поверхні набуває більшого електричного заряду. Ця особливість використовується для захисту споруд від блискавок, електричних приладів від накопичення статичної електрики на їхніх корпусах тощо. Оскільки розміри Землі більші за розміри будинків, то майже весь заряд із тіл переходить на землю. Для цього застосовують металеві провідники, розташовані належним чином і з’єднані з добре провідними шарами ґрунту. Такий вид захисту називають заземленням.

Головне в цьому параграфі_

Електрон є носієм елементарного негативного електричного заряду, який, як установив Р. Міллікен, дорівнює е = -1,6 · IO"¹⁹ Кл.

Електричний заряд є дискретним (подільним). Якщо з’єднати два однакових провідники, один з яких має електричний заряд, а другий електрично нейтральний, то електричний заряд між ними ділиться порівну.

Для виявлення й дослідження електричних зарядів використовують електроскоп та електрометр.

Якщо з’єднати два провідники різних розмірів, один з яких заряджений, а другий електрично нейтральний, то провідник з більшою площею поверхні набуває більшого електричного заряду.

Запитання для самоперевірки_

1.    Укажіть мету досліду Йоффе — Міллікена та опишіть його схему.

2.    Опишіть дослід, який доводить дискретність алектричного заряду.

3.    Яка особливість подільності електричного заряду провідників?

4.    Поясніть чому стрижень електроскопа завжди роблять металевим, а кулю порожнистою.

5.    Поясніть, чому електроскоп розряджається, якщо доторкнутися до його кульки пальцями.

-|Вправа до § 22

1п. До кондуктора зарядженого електрометра піднесіть (не торкаючись його) металевий стрижень. Поясніть, як зміниться відхилення стрілки.

2с. Поясніть, який знак зарядів утворюється на блискавковідводі й землі, коли над ними проходить позитивно заряджена хмара. Зд. Якщо заряджене тіло піднести до електрометра, його стрілка відхиляється. Поясніть, що відбуватиметься з електрометром, якщо тіло накрити металевим кожухом. Що станеться, якщо кожух заземлити?

4в. Легка металева кулька висить на шовковій нитці, торкаючись електрично нейтральної металевої палички. Коли до іншого кінця металевої палички, не торкаючись її, підносять іншу заряджену кульку, кулька на нитці відхиляється (рисунок до задачі). Поясніть це явище.

ЦЕ ΒΑΡ1Ό ЗНАТИ

Блискавка — гігантський електричний розряд, що виникає внаслідок електризації атмосфери (рис. 1).

Проблеми атмосферної електрики досліджують спеціалісти лабораторій та геофізичних обсерваторій.

Електричні розряди блискавки несуть постійну загрозу людям. Проходження її заряду через людину найчастіше закінчується миттєвою смертю у зв’язку з термічним ураженням внутрішніх органів. У деяких випадках можливе короткочасне припинення дихання. Дотримання простих правил поведінки практично унеможливить трагічне зіткнення з грозовим розрядом.

Якщо ви перебуваєте на відкритій місцевості, то:

1.    Не ховайтеся в невеликих спорудах, хатинах, будинках, наметах, тим більше, серед острівців дерев. Краще в такому разі заховатись у якійсь заглибині.

2.    Якщо вас двоє, троє чи більше, — не скупчуйтеся в укритті разом, а ховайтеся поодинці.

3.    Переміщуватися до сховища потрібно повільно й злегка пригнувшись, а не у весь зріст, тому що розряди проходять через вищу точку.

4.    Під час грози ніколи не ховайтеся біля металевих споруд, конструкцій, під залізними опорами електропередач і мостів, не торкайтеся дротяних огорож та інших об’єктів із металу.

5.    Якщо негода застала вас на човні або ви плавали в цей час у річці, то найнебезпечнішим рішенням є вибратися з води на

берег, повільно, спокійно, не розмахуючи руками. Якщо це неможливо, то намагайтеся сидіти в човні нерухомо.

Якщо ви перебуваєте в приміщенні, то:

1.    Негайно зачиніть усі кватирки, вікна, двері.

2.    Вимкніть усі електроприлади.

3.    Утримайтеся від користування телефоном, але якщо вже біда примусила викликати «швидку допомогу» чи пожежну бригаду, зробіть це одразу після чергового грозового розряду, швидко використавши невеличку паузу до наступного.

ВЧИМОСЯ РОЗВ’ЯЗУВАТИ ФІЗИЧНІ ЗАДАЧІ З ТЕМИ «ЕЛЕКТРОСТАТИКА»

Під час розв’язування задач з електростатики потрібно мати на увазі, що напрям електричної (кулонівської) сили залежить від знаків зарядів тіл, які взаємодіють. В окремих завданнях використовується закон збереження заряду. Потрібно також враховувати, що мінімальна порція електричного заряду (модуль заряду елементарної частинки) дорівнює 1,6 · IO"¹⁹ Кл.

Для прикладу розглянемо декілька задач. Нагадуємо, що спочатку задачу необхідно розв’язати в загальному вигляді, а потім провести обчислення шуканої величини за одержаною кінцевою формулою.

Задача 1. Дві однакові провідні кульки з зарядами —2,5 нКл та 3,5 нКл перебувають на відстані 5 см. Кульки приводять у дотик, а потім повертають у ті самі точки. Визначте сили взаємодії кульок до після дотику.

Задача 2. Порошинка, що має 20 · IO¹⁰ надлишкових електронів, зависла в електричному полі, коли над нею на відстані 4 см розмістили позитивний точковий заряд 2 нКл. Визначте масу порошинки.

ВИКОНУЄМО НАВЧАЛЬНИЙ ПРОЕКТ РАЗОМ.

У попередніх параграфах підручника ви ознайомилися з електричними явищами та основами електростатики. Вам пропонується попрацювати над навчальними проектами на теми: «Електрика в житті людини», «Сучасні побутові та промислові електричні прилади», «Електризація в природі та техніці».

У процесі виконання проектів зверніть увагу на розмаїття електричних явищ у природі, їх важливість для людини, використання в сучасній техніці і технологіях, перспективи подальших досліджень та досягнення вітчизняних вчених-фізиків і наукових установ.

Врахуйте, що особливий науковий інтерес становлять проблеми впливу електричних явищ на живі організми та методи зменшення їх шкідливих наслідків.

Готуючи проект, використовуйте науково-популярні джерела та інформаційно-пошукові системи, а також спробуйте запропонувати власні розробки відповідних пристроїв.

ВИЯВЛЯЄМО ПРЕДМЕТНУ КОМПЕТЕНТНІСТЬ З ТЕМИ «ЕЛЕКТРОСТАТИКА»

In. Вкажіть прилад для визначення наявності електричного заряду тіла:

А манометр;

Б електроскоп;

В барометр;

Г динамометр.

2п. Вкажіть правильне продовження речення: електростатичне (електричне) поле діє...:

А тільки на нерухомі заряди;

Б на рухомі й нерухомі заряди;

В тільки на рухомі заряди;

Г в одних випадках на нерухомі, в інших — на рухомі заряди.

Зп. Вкажіть, яке з наведених тверджень пояснює явище електризації тертям:

А усі тіла втрачають електрони;

Б усі тіла набувають електронів;

В у тілах виникають позитивні й негативні заряди;

Г одне тіло втрачає електрони, друге — стільки ж їх набуває. 4п. Вкажіть правильне продовження речення: «Якщо до легкої гільзи, яка висить на шовковій нитці, піднести, не торкаючись, негативно заряджену паличку, то на найближчому до палички боці гільзи утворюється...»:

А надлишок електронів і він набуде позитивного заряду;

Б надлишок електронів і він набуде негативного заряду;

В нестача електронів і він набуде позитивного заряду;

Г нестача електронів і він набуде негативного заряду.

5п. Визначте, як зміниться сила взаємодії між зарядами, якщо відстань між ними зменшити в 3 рази:

А збільшиться в 3 рази;

Б збільшиться в 9 разів;

В зменшиться в 9 разів;

Г зменшиться в 3 рази;

6п. Вкажіть правильне продовження речення: «Внаслідок електризації тіло може набути заряду, кратного...»:

А 1/2 заряду електрона; В 1,5 заряду електрона;

Б 1/3 заряду електрона; Г подвоєному заряду електрона. 7с. Дві однакові маленькі кульки, що мають електричні заряди 18 і —10 нКл, привели в дотик. Визначте заряд, кожної з кульок після дотику:

А 28 нКл;

Б 8 нКл;

В 14 нКл;

Г 4 нКл.

8с. Як зміниться кут розходження листочків негативно зарядженого електроскопа при наближені до нього позитивно зарядженого тіла?

А збільшиться;    ф 14-4-4- Ί~Ί

Б зменшиться;    --^

В спочатку збільшиться,    а потім    ґ \

зменшиться;    I ~/\~ J

Г не зміниться.    Vy

9д. Визначте відстань між електричними зарядами 4 і 9 нКл, на якій вони відштовхуються з силою 81мкН:

A.    З м;

Б. 2 см;

B.    З см;

Г. 4 м.

Юд. Встановіть відповідність між назвою частинки та її умовним зображенням...

1.    Іон Літію    А

2.    Атом    Літію    Б

3.    Атом    Гелію    В

4.    Атом    Гідрогену    Г

5.    Іон Гелію

11д. Точковий електричний заряд вміщують послідовно в точки електричного поля, позначені на рисунку. Порівняйте сили, які діють на пробний заряд у цих точках і встановіть відповідність між точками та величиною сил.

А сила    мінімальна    1.    точка    А

Б сили    однакові    2.    точки    В—C

В сила    максимальна    3.    точка    D

Г сили    різні    4.    точки    C—E

δ. точка F

12д. Визначте силу взаємодії двох однакових точкових зарядів на відстані г та розташуйте її у порядку збільшення.

Завдання відкритого типу:

ІЗв. Укажіть спосіб, за допомогою якого можна надати позитивного заряду металевій кульці, маючи лише заряджену негативно ебонітову паличку.

14в. Два негативних заряди перебувають на відстані 20 мм один від одного. Заряди взаємодіють із силою 7,2 · IO"⁴ Н. Визначте величину кожного заряду.

15в. Заряд одного з точкових тіл у 5 разів більший за інший. Тіла приводять у дотик і розміщують на тій самій відстані. Визначте, як при цьому зміниться сила взаємодії тіл. Розв’яжіть задачу для двох випадків: тіла заряджені однойменно та різнойменно.

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Головко