Что такое удельный заряд электрона

что такое УДЕЛЬНЫЙ заряд электрона?

Удельной величиной называют отношение этой величины к какой-либо другой для того же предмета или явления.

Отношение его заряда к его массе в кг. (е/m)

Что называют удельным зарядом електрона

Похожие вопросы

Ваш браузер устарел

Мы постоянно добавляем новый функционал в основной интерфейс проекта. К сожалению, старые браузеры не в состоянии качественно работать с современными программными продуктами. Для корректной работы используйте последние версии браузеров Chrome, Mozilla Firefox, Opera, Microsoft Edge или установите браузер Atom.

Электрон

Электрон – это элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом, входящая в состав всех атомов, а следовательно, и любого обычного вещества. Это – самая легкая из электрически заряженных частиц. Электроны участвуют почти во всех электрических явлениях. В металле часть электронов не связана с атомами и может свободно перемещаться, благодаря чему металлы хорошо проводят электричество. В плазме, т.е. ионизованном газе, положительно заряженные атомы также перемещаются свободно, но, имея гораздо большую массу, движутся значительно медленнее электронов, а потому вносят меньший вклад в электрический ток. Благодаря малой массе электрон оказался частицей, наиболее вовлеченной в развитие квантовой механики, частной теории относительности и их объединение – релятивистскую квантовую теорию поля. Считается, что в настоящее время полностью известны уравнения, описывающие поведение электронов во всех реально осуществимых физических условиях (рисунок 1).

Рисунок 1 – Электрон

1.2 Удельный заряд электрона

Удельным зарядом частицы называется физическая величина, равная отношению заряда частицы к её массе – q/m. Соответственно, удельный заряд электрона, это физическая величина, равная отношению заряда электрона к его массе – e/m. Удельный заряд определяют, изучая движение частиц в электрическом и магнитном полях. Одним из методов нахождения удельного заряда электрона может служить метод Чайлда-Ленгмюра. Он основан на измерении вольтамперной характеристики вакуумного диода, то есть зависимости анодного тока диода Ia от напряжения между катодом и анодом Ua.

Электрический ток переносится электронами, испускаемыми накалённым катодом. При малых напряжениях Ua анодный ток пропорционален Ua3/2. Эту зависимость называют законом «трёх вторых» или законом Чайлда-Ленгмюра.

1.3 Вывод формулы удельного заряда электрона

При некотором критическом значении индукции Вкр. траектория движения искривляется настолько, что она только касается анода. При В>Вкр. электроны совсем не достигают анода.

Радиус траектории электрона при В = Вкр. для лампы с достаточно тонким катодом равен половине радиуса анода, т.е.. Электрическое поле между катодом и анодом, перемещая электрон, совершает работу, вследствие чего электрон приобретает кинетическую энергию:

где -U_а анодное напряжение. Из (1) и (2) с учетом того, что следует .Для соленоида , здесь Гн/м магнитная постоянная; магнитная проницаемость воздуха, равная 1; — сила тока в соленоиде; — число витков на единицу длины соленоида. С учетом этого окончательно имеем

1.4. Пример приближенного вычисления удельного заряда электрона.

Значение может быть найдено по траектории электрона в заданном магнитном и электрическом полях. На этом основаны многочисленные методы определения отношения заряда к массе для заряженных элементарных частиц. Точность данных методов определяется, в основном, точностью определения параметров траектории.

Одним из методов является метод магнетрона, в котором используется движение заряженной частицы во взаимно перпендикулярных магнитном и электрическом полях. Магнетрон представляет собой цилиндрический диод, помещенный в продольное магнитное поле. В отсутствие магнитного поля электроны, вылетающие с поверхности катода , движутся к аноду прямо по радиусам (рис 2, а).

Магнитное поле действует на движущийся электрон с силой Лоренца:

которая всегда перпендикулярна направлению вектора скорости . Сила Лоренца не совершает работы, а может только повернуть вектор скорости, искривляя траекторию движения. Поэтому при включении магнитного поля траектории электронов в диоде начинают искривляться и приобретают более сложный характер, начинаясь на катоде и кончаясь на аноде. При определенном критическом значении магнитной индукции электроны совсем перестанут достигать анода (и анодный ток через диод прекратится (участок 3 ломаной сплошной линии на рисунок 2, б).

Рисунок 2.а – траектория электронов в магнетроне: 1-В < B_кр; 2-В=В_кр; 3-В>В_кр; А-анод, К-катод; поле В направлено от нас; б – зависимости анодного тока от магнитного поля: идеализированная – ломанная сплошная линия и реальная для исследуемого вакуумного диода – пунктирная линия

При электроны образуют объемный отрицательный заряд, который вращается в пространстве между катодом и анодом, но сила анодного тока при этом близка к нулю. Таким образом, в данном методе сами траектории электронов не измеряются, но косвенно, по скачку анодного тока, фиксируется выход электронов на критическую траекторию с известными заранее параметрами. По параметрам этой траектории и рассчитывается удельный заряд . Найдем величину критического поля. Ввиду аксиальной симметрии электродов рассмотрим движение электронов в цилиндрический координатах с началом в центре диода (рис. 3). По закону сохранения энергии скорость электрона у анода определяется пройденной им разностью потенциалов U между анодом и катодом:

(считаем, что начальная скорость электрона равна нулю).

Рисунок 3. Цилиндрическая система координат

Момент импульса электрона в нашей задаче имеет только z -составляющую. Рассмотрим ее изменение. При вылете из катода момент импульса электрона равен нулю (). При критическом значении индукции траектория электронов касается анода (кривая 2 на рис. 2, а). В точке касания момент импульса

так как скорость направлена перпендикулярно радиусу. Изменение момента импульса электрона обусловлено только магнитной составляющей силы Лоренца, поскольку электрическая составляющая силы направлена по радиусу и ее момент всегда равен нулю. Момент силы Лоренца имеет только z -составляющую:

где — азимутальная составляющая силы, – радиальная составляющая скорости.

Закон изменения z -составляющей момента импульса имеет вид

где r – время полета электрона от катода до анода. Подставляя в него найденные выше соотношения, получаем.

В последнем интеграле мы перешли к переменной интегрирования r и учли, что

где – радиус катода. Исключая из (5) и (10), получаем связь между напряжением на диоде и критической индукцией магнитного поля:

Если радиус катода мал по сравнению с радиусом анода (), то из (11)

Однако, если учитывать объемный заряд вокруг катода(особенно при для используемого в данной работе вакуумного диода 3Ц18П), то нельзя пренебрегать величиной . Тогда расчетная формула будет:

где поправочный коэффициент при и при для данной установки.

Таким образом, измерение критического поля для заданного напряжения на диоде U дает возможность сразу найти .

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Прямо сейчас студенты читают про:

Понятие и виды административно-правовых форм Административно-правовые формы и методы Вопросы по теме: 9.1. Понятие и виды административно-правовых форм. 9.2. Понятие.
Виды, сроки и порядок проведения проверок СИЗОД Техническое обслуживание проводится в соответствии с нормами и сроками.
Основные интерфейсы материнской платы Интерфейсы компьютера. Интерфейс – совокупность средств сопряжения и связи.
Обязательные и факультативные признаки состава преступления В науке уголовного права признаки состава преступления в зави&shy.
Основной вопрос философии. Онтологические проблемы бытия. План 1. Основной вопрос философии. 2. Структура философии. 3. Специфика философского знания. 4.

Что такое удельный заряд электрона?

Удельным зарядом частицы называется физическая величина, равная отношению заряда частицы к её массе — q/m. Соответственно, удельный заряд электрона, это физическая величина, равная отношению заряда электрона к его массе — e/m. Удельный заряд определяют, изучая движение частиц в электрическом и магнитном полях.

Что называется удельным зарядом электрона и как его можно найти?

Удельным зарядом называется отношение заряда частицы к ее массе е/m. Определив значение удельного заряда и величину заряда, подсчитывают массу частиц. Таким методом подсчитана масса электрона и других элементарных частиц. Одним из методов определения удельного заряда является метод магнетрона.

В чем состоит метод магнетрона для определения?

Сущность метода магнетрона заключается в том, что двухэлектродная электронная лампа с цилиндрическими коаксиальными катодом и анодом помещается в магнитное поле, создаваемое, например, соленоидом так, что- бы ось лампы совпадала с направлением магнитного поля (рис. 1).

Чему равен удельный заряд протона?

Электрический заряд протона положителен, по абсолютной величине он равен заряду электрона 1,6021892 (46)·10-19Кл (или 4,803242(14)·10-10 СГСЭ ед. заряда); удельный заряд протона очень высок — 9,578756(27)·107 Кл/кг.

Что называют удельным зарядом носителя тока каков удельный заряд электрона?

Электрон является носителем элементарного отрицательного заряда е (e = –1,6? 10—19 Кл). Отношение его заряда к массе e/m называется удельным зарядом электрона. Удельный заряд может быть экспериментально определён различными методами.

В чем суть метода магнетрона для определения отношения?

Сущность метода магнетрона заключается в том, что двухэлектродная электронная лампа с цилиндрическими коаксиальными катодом и анодом помещается в магнитное поле, создаваемое, например, соленоидом так, чтобы ось лампы совпадала с направлением магнитного поля.

Что называется удельным зарядом частицы?

Как движутся электроны в магнетроне в отсутствие магнитного поля?

В магнетроне магнитное и электрическое поля взаимно перпендикулярны. Если магнитное поле отсутствует, то электроны под действием электрического поля движутся прямолинейно от катода к аноду (рисунок 2.4, а) и в анодной цепи возникает анодный ток, зависящий от анодного напряжения и тока накала.

Кто определил заряд электрона?

Заряд электрона равен −1,602176487(40)×10−19 Кл (или −4,80320427(13)×10−10 ед. СГСЭ в системе СГС); наиболее точно он был измерен в независимых экспериментах Р. Милликена в 1909-1911 гг.

Какие существуют способы определения удельного заряда электрона?

Если известна начальная скорость, и она может быть определенным способом задана в эксперименте, то для определения e / m достаточно измерить величину отклонения частицы либо в электрическом, либо в магнитном полях и по формулам (10) или (14) рассчитать e / m . .

Какой заряд у протона и нейтрона?

Протоны и нейтроны имеют общее название нуклоны (ядерные частицы). Протон (p) — частица, имеющая заряд +1 и относительную массу, равную 1. Нейтрон (n) — частица без заряда с относительной массой 1. К элементарным частицам относятся также электроны (e), которые образуют электронную оболочку атома.

Какой электрический заряд у протона?

Протон (p, p+)
Электрический заряд	+1e +1,6021766208(98)⋅10−19 Кл
Барионное число	1
Спин	1/2 ħ
Магнитный момент	2,792 847 344 63(82) ядерного магнетона или 1,410 606 797 36(60)×10-26 Дж/Тл

Какой знак имеет заряд протона положительный отрицательный?

Ответ: У протона положительный; нейтрон не имеет заряда; у электрона отрицательный.

Откуда берутся носители тока в металлах?

Электрический ток в металлах обуславливается упорядоченным движением свободных электронов (электронов проводимости). . Эти электроны — являются валентными электронами атомов металла, которое оставили свои атомы. Свободные электроны беспорядочно двигаются по кристаллу, «не помня» уже, какому атому они принадлежали.

Что является носителем электрического тока в металлах?

Электроны в металлах

В металлах и веществах с металлическим типом проводимости, к которым относятся многие другие вещества — графит, многие карбиды и нитриды переходных металлов, носителями заряда являются электроны.

Что является носителем тока?

НОСИТЕЛИ ТОКА — электрически заряженные частицы в веществе, обусловливающие его электрическую проводимость. В металлах — это свободные электроны, в электролитах — ионы, в полупроводниках — электроны и дырки, в плазме — ионы и электроны.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА

Целью данной работы является изучение движения элементарных частиц в электрическом и магнитном полях, экспериментальное определение удельного заряда электрона с помощью магнетрона.

Электрон является носителем элементарного отрицательного заряда е (e = –1,6?10 —19 Кл). Отношение его заряда к массе e/m называется удельным зарядом электрона. Удельный заряд может быть экспериментально определён различными методами. Все они основаны на поведении электрона в электрическом и магнитном полях.

В электрическом поле напряжённостью (рис.4) на электрон действует сила

которая сообщает электрону ускорение и направлена против поля.

Под действием этой силы электрон, пройдя расстояние между точками с разностью потенциалов U, приобретает кинетическую энергию

Движение электрона в однородном магнитном поле происходит под действием силы Лоренца

где — вектор скорости электрона; — вектор индукции магнитного поля; е – заряд электрона.

Сила Лоренца перпендикулярна как скорости электрона, так и направлению магнитного поля. Она не меняет модуля скорости и кинетической энергии частицы.

Модуль силы Лоренца

где a — угол между векторами и .

Сила Лоренца сообщает электрону нормальное (центростремительное) ускорение и вызывает движение его по окружности радиуса R, если угол a составляет 90 o (рис. 5). Таким образом, по второму закону Ньютона:

откуда радиус окружности

Из формулы (2.9.6) видно, что радиус окружности зависит от удельного заряда e/m. Этот факт и положен в основу метода определения удельного заряда с помощью магнетрона.

Магнетрон представляет собой высоковакуумную электронную трубку, имеющую прямую металлическую нить (катод), расположенную по оси цилиндрического анода.

Для нашей работы магнетрон с успехом можно заменить обычной электронной лампой с цилиндрическим анодом, на оси которого расположен катод (рис. 6, а). Лампа помещается внутри длинного соленоида, при помощи которого параллельно оси создаётся магнитное поле напряжённостью .

Катод нагревается электрическим током и испускает электроны, которые под действием электрического поля движутся к аноду. Когда магнитное поле отсутствует, электроны движутся по радиусам цилиндрического анода (рис. 6 б, линия 1).

Если включить магнитное поле, траектория движения искривляется, и тем больше, чем сильнее поле (рис. 6, б, линия 2). Все электроны достигают анода, и величина анодного тока в цепи практически не изменяется до определённого момента, когда при дальнейшем увеличении магнитного поля радиус траектории всё больше уменьшается и при некотором критическом значении В_кр, электроны, не достигнув анода, вернутся обратно к катоду (рис. 6, б, линия 3).

При выполнении условия В > В_кр электроны уже не будут попадать на анод, и ток станет равен нулю (рис. 6, б, линия 4).

На рис. 7 приведен график зависимости анодного тока I_А от индукции магнитного поля при некотором анодном напряжении U_А (сбросовая характеристика магнетрона).

Если бы все электроны, вылетающие из катода, имели одну и ту же скорость, анодный ток I_А спадал бы до нуля точно при критическом значении В_кр индукции магнитного поля (рис. 7, штриховая линия). Однако скорости вылетевших электронов разные, поэтому уменьшение тока происходит на довольно протяжённом участке вблизи В_кр (рис. 7, сплошная линия).

Критическое значение индукции магнитного поля является некоторой функцией анодного напряжения U_А. Эту зависимость легко установить, если предположить, что скорость электрона при его движении в магнетроне остаётся постоянной по модулю. При В = В_кр, радиус окружности, по которой движется электрон, равен R_А / 2, где R_А – радиус анода. Подставляя его в уравнение (2.9.6), получим:

Решая совместно уравнения (2.9.2) и (2.9.7), получим формулу для расчёта удельного заряда электрона:

где U_А — разность потенциалов между катодом и анодом.

Индукция магнитного поля в соленоиде может быть рассчитана по закону Био — Савара — Лапласа или по теореме о циркуляции индукции магнитного поля по замкнутому контуру

где – длина соленоида; N – число витков соленоида; I_сол — сила тока, протекающего через соленоид (сила намагничивающего тока); – магнитная постоянная.

Критическому значению индукции магнитного поля В_кр соответствует критическое значение силы тока I_кр. Учитывая это и подставляя (2.9.7) в (2.9.8), получим

При выводе (2.9.10) предполагалось, что электрическое и магнитное поля действуют на электрон по очереди, сначала он в электрическом поле разгоняется до скорости , а затем с этой постоянной скоростью движется в магнитном поле.

В рассматриваемом случае электрон движется в скрещенных магнитном и электрическом полях и одновременно испытывает действие сил со стороны обоих полей. Вследствие этого, скорость электрона не постоянна (она возрастает по мере приближения к аноду), а траектория его движения отличается от круговой. Данное обстоятельство позволяет утверждать, что формула (2.9.10) не точна. Тем не менее, как следует из результатов точного анализа рассматриваемой задачи, эта формула в целом удовлетворительно описывает физику процессов и с точностью до коэффициента пропорциональности является правильной.

Окончательная расчётная формула имеет вид:

где = 0,1 м; N = 1000 витков ; R_А = 5 мм ; A – коэффициент, учитывающий отличие реальной траектории движения электрона в скрещенных электрическом и магнитном полях от окружности. Для нашей экспериментальной установки А=1,3.

Тщательные измерения удельного заряда и известное из опытов Милликена (1909 г.) значение величины заряда электрона позволили определить его массу и установить зависимость массы от скорости.

В принципе теми же методами определяются массы атомов и молекул. Соответствующие приборы для определения масс атомов и молекул (точнее, их ионов) носят название масс-спектрографов. Для примера можно рассмотреть принципиальное устройство одного из масс-спектрографов (рис. 8).

Сначала пучок ионов проходит через фильтр скоростей, в котором на движущиеся ионы одновременно действуют взаимно перпендикулярные электрическое и магнитное поля. Направления полей выбираются так, чтобы силы, действующие на ионы с их стороны, были противоположны по направлению. Через щель фильтра, противоположную входной, выходят только те ионы, на которые действуют равные по величине силы и .

q?E = q? ?B. (2.9.12)

Следовательно, из фильтра вылетают ионы одинаковых скоростей

При выходе из фильтра частицы попадают в магнитное поле, перпендикулярное их скорости. Траектория их движения — окружность, радиус которой зависит от удельного заряда частицы

Попадая на фотопластинку, ионы оставляют след, расстояние которого от выходной щели фильтра зависит от удельного заряда ионов.

По найденным значениям q/m можно определить массы ионов.

В наши дни точность определения масс ионов с помощью масс-спектрографов достигают 6 —8 значащих цифр (правда, не в граммах, а по отношению к массе эталонного атома).

Масс-спектрографические методы позволяют проводить количественный анализ нефти, состоящий из молекул различных углеводородов, трудно различимых обычными химическими способами. При большой мощности ионного пучка этот метод позволяет разделять изотопы в заметных количествах.

Масс-спектрографический метод часто применяют для определения изотопного состава исследуемого вещества. В частности, он был применён при исследовании лунного грунта. Близость изотопного состава земных и лунных пород свидетельствует об одновозрастности и единстве происхождения земного и лунного вещества. По-видимому, это следует распространить и на другие космические тела солнечной системы. Исследования вещества метеоритов не противоречат такому обобщению.

Масс-спектрографы нашли широкое применение в различных областях физики, химии, техники. Они используются для определения содержания примесей в газах, для анализа состава и процентного содержания различных смесей углеводородов и т. д.

Необходимые приборы: лабораторный стенд, внутри которого смонтированы все элементы схемы; цифровой вольтметр (или осциллограф).

На рис. 9 приведена схема экспериментальной установки, которая технически реализована на лабораторном стенде с возможностью самостоятельно вручную и с управлением от внешних источников изменять параметры эксперимента.

Экспериментальная установка состоит из трёх цепей.

Цепь намагничивающей катушки состоит из соленоида, создающего однородное магнитное поле при подключении к нему источника постоянного тока ε₃, регулятора тока с внутренним и внешним управлением (коммутация осуществляется тумблером S₁) и низкоомного резистора R₅ =1 Ом, предназначенного для контроля силы тока I_сол в соленоиде по величине напряжения на этом сопротивлении.

Анодная цепь состоит из электронной лампы Л, источника постоянного тока ε₁, делителя напряжения на резисторах R₂, R₃, R₄ и последовательно включенного резистора R₁ = 1кОм, предназначенного для контроля силы тока в анодной цепи I_А, по величине напряжения на этом резисторе.

Цепь накала включает в себя нитевидный катод К лампы Л, источник тока ε₂ и тумблер S₂, отключающий его.