А.Н. Матвеев - Электричество и магнетизм (1115536), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Элскгриэлцик 27 в) разведены достаточно далеко и потеряли при этом электронный контакт через приповерхностное электронное облако, оказываются практически лишенными зарядамн. Заряд сохраняется лишь на тех участках поверхности, которые еще находятся в электронном контакте. Наконец наступает момент, когда электронный контакт сохраняется на ничтожно малой площади поверхности, содержащей очень малый заряд. Поэтому при окончательном разведении проводников яа них яе остается зарядов. результат разведения диэлектриков иной.
У них заряды не могут перемещаться вдоль поверхности и сам потенциал вдоль поверхности может быть различен. При разведении участков поверхности разность потенциалов между ними не остается постоянной, а увеличивается точно так же, как увеличивается разность потенциалов между обкладками конденсатора, когда заряд обкладки постоянен, а расстояние между обкладками увеличивается.
Плотность зарядов на поверхностях существенно не изменяется. После потери электронного контакта через приповерхностное электронное облако на участках поверхности сохраняются электрические заряды. В результате полного разведения поверхностей диэлектриков они оказываются носителями разноименных, равных по абсолютпол(у знцчепию зарядов. Этот процесс называется электризацией. Для достижения более тесного сближения поверхностей диэлектриков и образования контактной разности потенциалов тела обычно трут одно о другое и говорят об б Обрзэовенис кантзк пюй разности потснцизлае е промежутке мсжлу паверзнастзми мстзтл— мстзлл (а),нателл — Лиэлсггрнг (б), диэ1сстрик — диэлектрик (а) ° Расстолнне нвжду энергетическими уровнлни внутри каждой из разрецзенных эон чрезвычайно нала по сравнению с змирнной запрещенных зан. В диэлектриках энергии Фарии не соответствует энергии какого-либо реального электрона в диэлектрике.
Терноэлектроннал робота выхода равна работе перенещенмл электрона с уровня звери» за првделы твердого тела. О Каково соотноюение иежду змергетическини уровнлни изолированного атома и энергетическими зонами твердого тела? За счет каких факторов образуютсз знерге. тические зоны! Какова нагпедназ интерпретации энергии ферми в металлах> Пачену эта интерпретации не подходит дпл диэлектриков! Как определить знаки зарздав соприкасаюгцихс» тел г Почену непьзе произвести электризацию нетеплое со. прикосновеииенг =:р(.==.-~+ ---=.=-=-=---=д!'==-:--'-'д!'-==.=:=::.+ и! и! р! а) б) 28 !. Заряды, поля, силы электризации трением.
Однако трение при этом никакого отношения к электризации не имеет. Более правильно было бы сказать об электризации посредством контакта тел. Терминология установилась раньше, чем была выяснена физическая природа явления. 8 3. Элементарный заряд н его ннварнантноеть Описываются эксперименты, доказываюигие существование элементарного электрического заряда и отсутствие зарядов, дробных относительно элеменпюрного. Обсуждаются экспериментальные свидетельства одинаковости абсолютных значений положительных и отрицательных элементарных зарядов и инварнаитности заряда. Опьпы Мнлликена.
Мысль о дискретности электрического заряда была в ясной форме высказана уже Б. Франклином в 1752 г., однако она носила умозрительный характер. Как экспериментальный результат дискретность зарядов в принципе следует из открытых в 1834 г. М. Фарадеем (1791 — 1367) законов электролиза. Однако закай вывод из законов электролиза был сделан лишь в 1831 г. Г. Л. Гельмгольцем (1321 — 1894) и Д. Стонеем (1826 — 1911).
Вскоре после этого в 1895 ы Г. Лоренц (1853 — 1928) разработал теорию электромагнетизма, основывающуюся на представлении о реально существующих элементарных зарядах (электронах). Числовое значение элементарного заряда было теоретически вычислено на основании законов электролиза, поскольку значение постоянной Авогадро было известно. Прямое экспериментальное измерение элементарного заряда было выполнено Р. Э.
Милликеном (1868 — 1953) в 1909 г. Схема опытов Мнлликена изображена на рис. 7. Маленькие шарообразные частицы движутся в вязкой жидкости прн наличии однородного электрического поля Е. На частицу действуют подъемная сила, направленная против силы тяжести (плотность частицы больше плотности жидкости), и сила вязкого трения 7'„р, направленная против скорости. Сила вязкого трения в соответствии с формулой Стокса пропорциональна скорости.
Прн постоянной скорости частицы сумма действуюгцнх на нее снл равна нулю. Все силы, за исключением действующей на частицу со стороны электрического поля, могут быть измерены экспериментально при движении частицы в среде без электрического поля. Изучив за~ем движение частицы в электрическом поле, найдем силу 9Е. Это позволит вычислить заряд д частицы, поскольку напряженность Е поля известна. Можно также изменять напряженность электрического поля и добиться, чтобы частица находилась в покое.
В этом случае сила з 3. Элементарный заряд н его иввариантность лт (3.1) Аг) = цз ц! 7 Схема опытов Миппиксиа т, эу Е Еосоз слог (3.3) трения также отсутствует, а остальные силы известны. Поэтому, зная Е, можно определить ц. Заряд частицы с течением времени изменяется, что отражается на движении частицы. Определив заряды ц, и цг частицы в различные промежутки времени, можно найти изменение заряда ))раизведл большое число излэерений зарядов, Милликен нашел, что Ах) является всегда целым, кратным одной и той же величине )е(: Лц=и~е(, и=+1, т2, ..., 1е)=1,6 10 ' Кл.
Резонансный метод измерения заряда. В дальнейшем методы прямого измерения элементарного заряда были усовершенствованы. В настоящее время точность измерений такова, что позволяет обнаружить десятые доли элементарного заряда. Наиболее эффективным является резонансный метод, схема которого изображена на рис, 8. Шарик достаточно малой массы т укреплен на оЧень тонком упругом стержне, Под влиянием сил упругости, возникающих прн изгибе стерженька, шарик колеблется около положения равновесия с собственной частотой гоа„ которая может быть измерена экспериментально.
Если на шарике есть некоторый заряд ц, то под действием переменного электрического поля шарик осуществляет вьнзужденные колебания, амплитуды которых зависят от соотногпения между частотами аэ и аэо. Максимальная амплитуда колебаний достигается в резонансе (ге = аэа). Амплитуда колебаний шарика в резонансе равна А = г)ЕаДДэпаэаа) где Д вЂ” добротность системы, Ео — амплитуда напряженности электрического поля. Оценим возможности метода.
Предположим, что т =! мг = 10 в кг; Еа -10' В/м; в Схема реэпааасиаго мстода изме. рсиип эпсмситариага заряда ° Поиски мваркаа пазвалилм с балымаа точностью доказать атсутствиа в природе драбньт заридаа. Отсутствие кваркав в свободном састаиин» на доказывает нк нвсущастваванив в сввзаммам состоянк» вмутр» злвнантариык частиц, О В чам состоит принцип рвэамаксиага метода иэмврвмив эпсмеитармпга эарпда! Какова саврсив мап тач мас~ь этого метода> Приведите чи. спазма ацсмки. 30 1.
Заряды, поля, силы г) = 1,6. 10 " Кл; «зв = 10 ' с '; Д - 100, тогда 1,6 10-" 10' 10' (3«4) Величина 160 мкм является очень большой и легко измерить ее небольшую часть. Следовательно, таким способом можно измерить заряды много меньшие, чем 1,6 10 ' Кл. Этот метод доведен до такого совершенства, что позволяет в принципе обнаружить и измерить заряд в десятые доли элементарного, если бы он существовал. При изменении заряда шарика па Лб амплитуда резонансных колебаний изменяется скачком: ЛАт, = ЬцЕ«0/(нкао). (3.5) Измерения позволили с большой точностью установить, что заряд шарика изменяется всегда на целое число элементарных зарядов и что не существует зарядов, меньших зле,нектарного.
1)е+ ! — )е )) 1 )ек) 10 (3.6) Эта точность совершенно неудовлетворительна, потому что теория предполагает полное равенство абсолютных значений отрицательных и положительных элементарных зарядов. Отсутствие дробного заряда. Были предприняты интенсивные поиски дробных зарядов.
Это было инициировано предсказанием существования кварков. Предполагается, что кварки являются частицами, из которых построено большинство тяжелых элементарных частиц (протоны и др.). Было предсказано, что электрический заряд кварков должен составлять '/з и з/з элементарного заряда (с соответствующими знаками). Поиски кварков проводились многими учеными различнымн методами, в том числе и резонансным.
Все они дали отрицательный результат. Таким образом, в настоящее врелзя экспериментально с большой точностью установлено, что дробных зарядов в свободном состоянии не сущесвтует. Мы выделяем слова «в свободном состоянии», поскольку эксперименты были направлены именно на поиск свободных кварков, Однако отсюда не следует, что и в связанном состоянии внутри элеменпюрных частиц кварки отсутствуют. Однако прямая экспериментальная проверка этого утверждения неизвестна. Равенство положительных и отрицательных элементарных зарядов. В описанных выше опытах измерялся как отрицательный элементарный, так и положительный заряд.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
