§ 22. Дискретність електричного заряду. Електрон

Досліди Йоффе — 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 підтверджене 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 до стану вакууму повітрям. 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 визначену величину або кратну їй величину, 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.)

Рис. 22.1. Схема експериментальної установки дослідів Йоффе та Міллікена: 1 — спеціальний розпилювач; 2 — захисний кожух; 3 — паралельні заряджені пластини; 4 — мікроскоп; 5 — джерело світла (ліворуч від установки)

Заряд електрона було визначено дослідами англійського фізика Р. Міллікена. Він установив, що електрон має негативний електричний заряд, який дорівнює: e = -1,6 • 10^-19 Кл.

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

ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСКРЕТНОСТІ ЕЛЕКТРИЧНОГО ЗАРЯДУ. Дискретність (подільність) електричного заряду можна дослідити за допомогою 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.

Рис. 22.2. Подільність електричного заряду

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 більшою 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 • 10^-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 із 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 електричного 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

1(п). Поясніть зміну відхилення стрілки зарядженого електрометра, якщо до його кондуктора піднести (не торкаючись його) металевий стрижень.
2(c). Поясніть, який знак зарядів утворюється на блискавковідводі й землі, коли над ними проходить позитивно заряджена хмара.
3(д). Якщо заряджене тіло піднести до електрометра, його стрілка відхиляється. Поясніть, що відбуватиметься з електрометром, якщо тіло накрити металевим кожухом. Що станеться, якщо кожух заземлити?
4(в). 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 завдання на с. 159). Поясніть це явище.

Рисунок до завдання 4

ЦЕ ВАРТО ЗНАТИ

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

Рисунок. Електростатична енергія вивільняється під час блискавки

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.

Зміст