Опыт Милликена
Метод магнитной фокусировки Буша
Сущность метода фокусировки Буша заключается в следующем, электроны, летящие вдоль оси трубки, не испытывают воздействия поля катушки и движутся прямо к экрану. Электроны же, отклоняющиеся от оси трубки, приобретают составляющую скорости, перпендикулярную линиям магнитного поля. Эти электроны «закручиваются» в сторону оси трубки. Напряженность магнитного поля должна быть подобрана такой, чтобы электроны встречались в одной точке на поверхности экрана. Это достигается регулировкой постоянного тока, питающего катушку. То есть, здесь имеем случай, когда в однородном магнитном поле начальная скорость электронов V0 образует некоторый малый угол А, с направлением вектора магнитной индукции В. Электроны движутся по винтовой линии с осью винта, параллельной вектору В. За каждый оборот электроны по винтовой линии перемещаются на шаг винта, и на расстоянии 2х все электроны снова пройдут через одну точку, то есть будут сфокусированы.
В данном эксперименте на трубку 13Л036В надевается соленоид С. Обмотка, намотанная виток к витку, содержит 6000 витков провода ПЭЛ 1,0. Длина соленоида 250 мм, толщина обмотки 35 мм. Данные соленоида не критичны.
Трубка каоксионально закрепляется в соленоиде. Соленоид вместе с трубкой закрепляется к основанию. Обмотка соленоида через реостат (100 Ом) и выключатель последовательно подсоединяется к источнику постоянного тока (100-150 В).
На вертикальный вход ЭО-7 подается переменное напряжение U = 6,3 В и дается небольшая развертка. На экране видна светящаяся полоска. В трубке 13ЛО36В электроны проходят путь от К до Э в однородном магнитном поле соленоида С. Далее, регулируя величину тока реостатом, подбирают такую величину магнитной индукции В, чтобы все пролетающие через точку О под разными углами электроны были сфокусированы в точку. На экране в этом случае светящаяся полоска сжимается в точку.
Данный опыт отражает движение электронов в генераторах бегущих волн, в генераторах обратной волны и в генераторах класса М, имеющих магнитную фокусировку. Современные кинескопы в телеприемниках имеют магнитную фокусировку и магнитное отклонение.
В основу метода положено изучение движения заряженных капелек масла в однородном электрическом поле известной напряжённости Е.
Рис 15.2 Схема экспериментальной установки: Р – распылитель капель; К – конденсатор; ИП – источник питания; М – микроскоп; hn – источник излучения; П – поверхность стола.
Схема одной из установок Милликена приведена на рис 15.1. Милликен измерял электрический заряд, сосредоточенный на отдельных маленьких каплях сферической формы, которые формировались распылителем Р и приобретали электрический заряд электризацией трением о стенки распылителя. Через малое отверстие в верхней пластине плоского конденсатора К они попадали в пространство между пластинами. За движением капли наблюдали в микроскоп М.
С целью предохранения капелек от конвекционных потоков воздуха конденсатор заключён в защитный кожух, температура и давление в котором поддерживаются постоянными. При выполнении опытов необходимо соблюдать следующие требования:
а. капли должны быть микроскопических размеров, чтобы силы, действующие на каплю в разных направлениях (вверх и вниз) были сопоставимы по величине;
б. заряд капли, а также его изменения при облучении (использовании ионизатора) были равны достаточно малому числу элементарных зарядов. Это позволяет легче установить кратность заряда капли элементарному заряду;
в. плотность капли r должна быть больше плотности вязкой среды r0, в которой она движется (воздуха);
г. масса капли не должна меняться в течение всего опыта. Для этого масло, из которого состоит капля не должно испаряться (масло испаряется значительно медленнее воды).
Если пластины конденсатора не были заряжены (напряженность электрического поля Е = 0), то капля медленно падала, двигаясь от верхней пластины к нижней. Как только пластины конденсатора заряжались, в движении капли происходили изменения: в случае отрицательного заряда на капле и положительного на верхней пластине конденсатора падение капли замедлялось, и в некоторый момент времени она меняла направление движения на противоположное – начинала подниматься к верхней пластине.
Определение элементарного заряда посредством вычислительного эксперимента.
Из-за вязкого сопротивления капля почти сразу после начала движения (или изменения условий движения) приобретает постоянную (установившуюся) скорость и движется равномерно. В силу этого а = 0, и можно найти скорость движения капли. Обозначим модуль установившейся скорости в отсутствие электростатического поля – vg, тогда:
vg = (m – m0)·g/k (16.5).
Закон Ньютона в проекции на ось Х и с учетом, что а = 0, примет вид:
-(m – m0)·g + q·E – k·vE = 0 (16.6)
Откуда:
vE = (q·E – (m – m0)·g/k (16.7),
где vE – установившаяся скорость масляной капли в электростатическом поле конденсатора; vE > 0, если капля движется вверх, vE < 0, если капля движется вниз. Отсюда следует что
q = (vE + |vg|)·k/E (16.8),
следует, что измеряя установившиеся скорости в отсутствие электростатического поля vg и при его наличии vE, можно определить заряд капли, если известен коэффициент k = 6·p·h·r.
Радиус капли имеет порядок величины r = 10-4 – 10-6 см, что сравнимо по порядку величины с длиной световой волны.
Сведения о радиусе капли можно получить из экспериментальных данных о ее движении в отсутствие электростатического поля. Зная vg и учитывая, что
m – m0 = (r – r0)·4·p·r3/3 (16.9),
где r – плотность масляной капли, получим:
r = {(9·h·vg)/[2·g·(r – r0)]}1/2. (16.10).
Установив на опыте дискретный характер изменения электрического заряда, Р. Милликен смог получить подтверждение существования электронов и определить величину заряда одного электрона (элементарный заряд) используя метод масляных капель.
Современное значение "атома" электричества е0 = 1.602.10-19 Кл. Эта величина и есть элементарный электрический заряд, носителями которого являются электрон е0 = – 1.602.10-19 Кл и протон е0 = +1.602.10-19 Кл. Работы Милликена внесли огромный вклад в физику и дали огромнейший толчок развитию научной мысли в будущем.
Контрольные вопросы:
1. В чем сущность метода Томсона?
а. Сущность метода Томсона заключалась в том, что все частицы, образующие катодные лучи, тождественны друг другу и входят в состав вещества.
б. Сущность метода Томсона заключалась в том, что все частицы, образующие катодные лучи, нетождественны друг другу и входят в состав вещества.
в. Сущность метода Томсона заключалась в том, что все частицы, образующие катодные лучи, тождественны друг другу и не входят в состав вещества.
г. Сущность метода Томсона заключалась в том, что лишь некоторые частицы, образующие катодные лучи, тождественны друг другу и входят в состав вещества.
2. Трубка Томсона?
а. электронная трубка.
б. электронно- лучевая.
в. лучевая.
г. магнитная.
3. Вывод формулы отношение заряда к массе частицы?
а. 
б. FH = Hev
в. v = E/H
4. В чем основная задача электронной и ионной оптики? И как их принято называть?
а. Электронная и ионная оптика – наука о поведении пучков электронов и ионов в вакууме под воздействием конденсатора. Их принято называть: электроннооптическими и магнитнооптическими изображениями.
б. Электронная и ионная оптика – наука о поведении пучков электронов и ионов в вакууме под воздействием внешних сил. Их принято называть: ионнооптическими изображениями.
в. Электронная и ионная оптика – наука о поведении пучков и ионов в вакууме под воздействием электрических и полей. Их принято называть: электроннооптическими изображениями.
г. Электронная и ионная оптика – наука о поведении пучков электронов и ионов в вакууме под воздействием электрических и магнитных полей. Их принято называть: электроннооптическими и ионнооптическими изображениями.
5. Когда был открыт «метод магнитной фокусировки»?
а. 1926 .
б. 1897 .
в. 1920 .
г. 1896.
6. В чем суть «метода магнитной фокусировки»?
а. Сущность метода фокусировки Буша заключается в следующем, электроны, летящие вдоль оси трубки, испытывают воздействия поля катушки и движутся прямо к экрану.
б. Сущность метода фокусировки Буша заключается в следующем, электроны, летящие вдоль оси трубки, не испытывают воздействия поля катушки и движутся прямо в катушку.
в. Сущность метода фокусировки Буша заключается в следующем, электроны, летящие вдоль оси трубки, не испытывают воздействия поля катушки и движутся прямо к экрану.
г. Сущность метода фокусировки Буша заключается в следующем, ионы, летящие вдоль оси трубки, не испытывают воздействия поля катушки и движутся прямо к экрану.
7. Какие требования необходимо соблюдать при выполнении опыта?
а. капли должны быть микроскопических размеров.
б. заряд капли, а также его изменения при облучении (использовании ионизатора) были равны достаточно малому числу элементарных зарядов.
в. плотность капли r должна быть больше плотности вязкой среды r0, в которой она движется (воздуха);
г. масса капли не должна меняться в течение всего опыта.
д. все варианты.
8. Определение элементарного заряда посредством вычислительного эксперимента?
а. Числовое значение элементарного заряда (наибольшего электрического заряда, встречающегося в природе) было теоретически вычислено на основании законов электролиза с использованием числа Авогадро.
б. Числовое значение элементарного заряда (наименьшего электрического заряда, встречающегося в природе) было теоретически вычислено на основании законов электролиза с использованием числа ионов.
в. Числовое значение элементарного заряда (наименьшего электрического заряда, встречающегося в природе) было теоретически вычислено на основании законов электролиза с использованием числа электронов.
г. Числовое значение элементарного заряда (наименьшего электрического заряда, встречающегося в природе) было теоретически вычислено на основании законов электролиза с использованием числа Авогадро.
9. Вывод формулы заряда капли через скорость падения капли?
а. q = (vE + |vg|)·k/E
б. vE = (q·E – (m – m0)·g/k
в. -(m – m0)·g + q·E – k·vE = 0
г. k = 6·p·h·r
10. Современное значение "атома" электричества?
а. е0 =1.605*10-15 Кл.
б. е0 = 1.602*10-19 Кл.
в. е0 = 1.600*10 -20 Кл.
г. е0 = 1.601*10 -19 Кл.