Электричество и магнетизм (1188650), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Âðåìÿ t0 ñâîáîäíîãî ïàäåíèÿ êàïëè îò îäíîé âûáðàííîé ëèíèè äî äðóãîé è âðåìÿ t å¼ îáðàòíîãî ïîäú¼ìà, ïðîèñõîäÿùåãî ïîä äåéñòâèåì ñèë ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ, èçìåðÿåòñÿ ýëåêòðîííûìñåêóíäîìåðîì.Èç ïîñòàíîâêè îïûòà î÷åâèäíî, ÷òî äèñêðåòíîñòü çàðÿäà ìîæåòáûòü îáíàðóæåíà ëèøü â òîì ñëó÷àå, åñëè îøèáêà δq â èçìåðåíèè çàðÿäà êàïëè ñóùåñòâåííî ìåíüøå àáñîëþòíîé âåëè÷èíû çàðÿäà ýëåêòðîíàe.
Äîïóñòèìàÿ îòíîñèòåëüíàÿ îøèáêà îïûòà δq/q äîëæíà áûòü ïîýòîìó ìíîãî ìåíüøå e/q = 1/n, ãäå n çàðÿä êàïëè, âûðàæåííûé â ÷èñëåçàðÿäîâ ýëåêòðîíà. Ýòîìó óñëîâèþ òåì ëåã÷å óäîâëåòâîðèòü, ÷åì ìåíüøå ÷èñëî n.  íàøåì ñëó÷àå òðóäíî îïðåäåëèòü q ñ òî÷íîñòüþ ëó÷øå5%. Çàðÿä êàïëè äîëæåí ïîýòîìó áûòü ñóùåñòâåííî ìåíüøå 20 çàðÿäîâýëåêòðîíà ëó÷øå âñåãî, åñëè îí íå ïðåâîñõîäèò ïÿòè ýëåêòðîííûõçàðÿäîâ.Èç âñåõ âåëè÷èí, âõîäÿùèõ â îðìóëó (11), íà îïûòå èçìåðÿþòñÿòîëüêî t0 , t, è V .
Îò òî÷íîñòè îïðåäåëåíèÿ ýòèõ âåëè÷èí çàâèñèò âàáîòà 3.3.3123îñíîâíîì îøèáêà èçìåðåíèÿ q . Èç îðìóëû (11) ìîæíî íàéòèsσt20 3t + t0 2σV2σt2 t20σq+ 2+ 2=.qV2t (t0 + t)24t0 t + t0Ïðè t ≈ t0 ýòà îðìóëà ïðèîáðåòàåò âèäsσt20σqσV2σt2++.=2qV24t0t20(12)(13) óñëîâèÿõ íàøåé ðàáîòû íàèáîëüøåå âëèÿíèå íà òî÷íîñòü ýêñïåðèìåíòà îêàçûâàþò äâà ïîñëåäíèõ ñòîÿùèõ ïîä êîðíåì ÷ëåíà. Îøèáêà èçìåðåíèÿ âðåìåíè t0 è t ïðè âèçóàëüíîì íàáëþäåíèè êàïåëü íåìîæåò áûòü ñäåëàíà ìåíüøå 0,10,2 ñåêóíäû. Ïîãðåøíîñòü â èçìåðåíèè q áóäåò ïîýòîìó òåì ìåíüøå, ÷åì áîëüøèå çíà÷åíèÿ ïðèíèìàþòt0 è t. Äëÿ óâåëè÷åíèÿ t0 è t ìîæíî áûëî áû óâåëè÷èòü ðàññòîÿíèå,ïðîõîäèìîå êàïëÿìè, íî ýòî ñèëüíî óñëîæíèëî áû ýêñïåðèìåíòàëüíóþóñòàíîâêó.
Óäîáíåå èäòè â äðóãîì íàïðàâëåíèè ðàáîòàòü ñ ìåäëåííîäâèæóùèìèñÿ êàïëÿìè, ò.å. ñ êàïëÿìè ìàëîãî âåñà. Âðåìÿ ïàäåíèÿ t0òàêèõ êàïåëü äîñòàòî÷íî âåëèêî. ×òîáû âðåìÿ ïîäú¼ìà t áûëî òàêæåäîñòàòî÷íî áîëüøèì, íóæíî èñïîëüçîâàòü íå î÷åíü áîëüøèå ðàçíîñòèïîòåíöèàëîâ V .Çàìåòèì, ÷òî âûáîð ñëèøêîì ìàëåíüêèõ êàïåëü ïðèâîäèò ê ñíèæåíèþ òî÷íîñòè èçìåðåíèé. Áðîóíîâñêîå äâèæåíèå ìàëûõ êàïåëü îêàçûâàåò ñóùåñòâåííîå âëèÿíèå íà èõ äâèæåíèå è ñïîñîáíî çàìåòíî èñêàçèòüêàðòèíó èõ ïàäåíèÿ è ïîäú¼ìà. Ìàëåíüêèå êàïëè ìîãóò èñïàðÿòüñÿ, òàê÷òî èõ ðàçìåðû âî âðåìÿ íàáëþäåíèÿ ìîãóò óìåíüøàòüñÿ.
Ïðè ìàëûõñêîðîñòÿõ äâèæåíèÿ äåëàþòñÿ îñîáåííî îïàñíûìè êîíâåêöèîííûå ïîòîêè âîçäóõà, êîòîðûå âîçíèêàþò ïðè íåîäíîðîäíîì íàãðåâå óñòàíîâêè(ïðîèñõîäÿùåì, íàïðèìåð, îò îñâåòèòåëÿ êàìåðû). Ïðàêòè÷åñêè â íàøèõ óñëîâèÿõ óäîáíî âûáèðàòü t0 ≈ t ≈ 1030 ñåêóíä.Äëÿ êàïåëü î÷åíü ìàëîãî ðàçìåðà îðìóëà Ñòîêñà íå âïîëíå ïðèìåíèìà. Èñïîëüçîâàíèå îðìóëû Ñòîêñà áåç ïîïðàâîê, âïðî÷åì, â íàøèõóñëîâèÿõ ïðèâîäèò ê èñêàæåíèþ çíà÷åíèé q è e íå áîëåå ÷åì íà 10%è ïî÷òè íå ìåøàåò îáíàðóæåíèþ äèñêðåòíîñòè ýëåêòðè÷åñêîãî çàðÿäà.Ìû ðåêîìåíäóåì ïîýòîìó íå ââîäèòü â îðìóëó íèêàêèõ ïîïðàâîê.ÇÀÄÀÍÈÅ ðàáîòå ïðåäëàãàåòñÿ ïî èçìåðåíèÿì âðåìåíè ñâîáîäíîãî ïàäåíèÿçàðÿæåííûõ êàïåëü è âðåìåíè èõ ïîäú¼ìà â ýëåêòðè÷åñêîì ïîëå îïðåäåëèòü çàðÿä ýëåêòðîíà.124Íîñèòåëè ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà1.
Ïåðåä íà÷àëîì ðàáîòû îöåíèòå ñ ïîìîùüþ îðìóëû (11) âåëè÷èíóíàïðÿæåíèÿ V , êîòîðîå íóæíî äëÿ ïîäú¼ìà êàïåëü, íåñóùèõ îò 1 äî 5çàðÿäîâ ýëåêòðîíà íà âûñîòó h = 1 ìì, çàäàâ t0 ≈ t = 20 ñ. Åñëè äëÿïîäú¼ìà êàïåëü ïîòðåáóþòñÿ ìåíüøèå íàïðÿæåíèÿ, òî ñîîòâåòñòâóþùèå êàïëè ñëèøêîì ñèëüíî çàðÿæåíû è äëÿ ýêñïåðèìåíòà íåïðèãîäíû.Ïðè âû÷èñëåíèÿõ ïîòðåáóþòñÿ çíà÷åíèÿ íåêîòîðûõ âåëè÷èí: ðàññòîÿíèå ìåæäó ïëàñòèíàìè l = 0,725 ñì, ïëîòíîñòü ìàñëà ρ = 0,898 ã/ñì3 ;êîýèöèåíò âíóòðåííåãî òðåíèÿ âîçäóõà η = 1,83·10−4 Ïóàç (ÑÑ)èëè 1,83·10−5 Ïà·ñ (ÑÈ).2. Âêëþ÷èòå îñâåòèòåëü.
Ïðè ýòîì ïàäàþùèé â êàìåðó ñâåò íàïðàâëåíïîä óãëîì ê îñè ìèêðîñêîïà è â îáúåêòèâ íå ïîïàäàåò. Ïîëå çðåíèÿìèêðîñêîïà îñòà¼òñÿ ïîýòîìó ò¼ìíûì. Êàïëè ìàñëà ðàññåèâàþò ñâåò èêàæóòñÿ ñâåòÿùèìèñÿ òî÷êàìè íà òåìíîì îíå.Íå âêëþ÷àÿ ýëåêòðè÷åñêîå ïîëå, ñëåãêà íàäàâèòå íà ãðóøó ïóëüâåðèçàòîðà è íàáëþäàéòå çà äâèæåíèåì îáëà÷êà ìàñëÿíûõ êàïåëü â ïîëåçðåíèÿ ìèêðîñêîïà (èçîáðàæåíèå ïåðåâ¼ðíóòî).3. Íàñòðîéòå îêóëÿð ìèêðîñêîïà íà ðåçêîå èçîáðàæåíèå äåëåíèé îêóëÿðíîé øêàëû. Çàòåì ñîêóñèðóéòå îáúåêòèâ íà ïîÿâèâøèåñÿ â ðàáî÷åì ïðîñòðàíñòâå êàïëè.4.
Íàáëþäàÿ çà äâèæåíèåì êàïåëü, ñëåäóåò âûáèðàòü êàïëè, âðåìÿ ïàäåíèÿ êîòîðûõ íà h = 1 ìì ëåæèò â ïðåäåëàõ 1030 ñåêóíä, è íàó÷èòüñÿîòëè÷àòü èõ îò áîëåå êðóïíûõ, íåïðèãîäíûõ äëÿ ðàáîòû. Öåíà äåëåíèÿîêóëÿðíîé øêàëû óêàçàíà íà óñòàíîâêå. óñëîâèÿõ íàøåé óñòàíîâêè ðåãóëèðîâêîé è êîììóòàöèåé íàïðÿæåíèÿ çàíÿòà îäíà ðóêà íàáëþäàòåëÿ. Âòîðàÿ ðóêà óïðàâëÿåò ñåêóíäîìåðîì.
Çàïèñü ðåçóëüòàòîâ èçìåðåíèé (t0 , t è V ) âåä¼ò âòîðîé ýêñïåðèìåíòàòîð. Íàáëþäàòåëü áûñòðî óñòà¼ò, ïîýòîìó ðåêîìåíäóåòñÿ ïåðèîäè÷åñêè ìåíÿòüñÿ ìåñòàìè.Äëÿ óìåíüøåíèÿ îøèáîê â îïðåäåëåíèè t0 è t íóæíî äëÿ ïóñêà èîñòàíîâêè ñåêóíäîìåðà èñïîëüçîâàòü îäèí è òîò æå ïðèçíàê âñåãäàíàæèìàòü ãîëîâêó ñåêóíäîìåðà ëèáî â òîò ìîìåíò, êîãäà êàïëÿ ñêðûâàåòñÿ çà ëèíèåé øêàëû, ëèáî, íàîáîðîò, êîãäà îíà ïîÿâëÿåòñÿ èç-çàëèíèè. åêîìåíäóåòñÿ ñëåäèòü çà êàïëåé, íå îòðûâàÿñü îò îêóëÿðà ìèêðîñêîïà, òàê êàê â ïðîòèâíîì ñëó÷àå ëåãêî å¼ ïîòåðÿòü èç âèäó, è âåñüýêñïåðèìåíò ïðèä¼òñÿ ïîâòîðèòü.5.  íà÷àëå îïûòà ñëåäóåò ïîçâîëèòü êàïåëüêàì ñâîáîäíî ïàäàòü 510ñåêóíä ïðè âûêëþ÷åííîì ýëåêòðè÷åñêîì ïîëå äëÿ òîãî, ÷òîáû íàèáîëååêðóïíûå êàïëè óñïåëè óïàñòü íà íèæíþþ ïëàñòèíó.Èç îñòàâøèõñÿ â ïîëå çðåíèÿ êàïåëü âûáåðèòå îäíó è ïðîèçâåäèòå ñ íåé ñåðèþ èçìåðåíèé, íàáëþäàÿ å¼ ïàäåíèå ïîä äåéñòâèåì ñèëûòÿæåñòè è ïîäú¼ì ïîä äåéñòâèåì ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ.
Ñåðèÿ äîëæíààáîòà 3.3.3125ñîñòîÿòü èç 510 èçìåðåíèé t0 è òàêîãî æå ÷èñëà èçìåðåíèé t äëÿ îäíîéêàïëè.6. Íåîáõîäèìî ïðîäåëàòü íå ìåíåå 15 òàêèõ ñåðèé èçìåðåíèé (äëÿ 15ðàçëè÷íûõ êàïåëü), êàæäûé ðàç ðåãèñòðèðóÿ âåëè÷èíó V . Ïðè ýòîìíóæíî èìåòü â âèäó, ÷òî çàðÿä êàïëè ìîæåò èçìåíèòüñÿ âî âðåìÿ íàáëþäåíèé; â ïîñëåäíåì ñëó÷àå äëÿ îäíîé êàïëè ïîëó÷èòñÿ íåñêîëüêîçíà÷åíèé q .Èçìåíåíèå çàðÿäà êàïëè ìîæåò ïðîèçîéòè ïðè å¼ ïîäú¼ìå â ýëåêòðè÷åñêîì ïîëå. Âû÷èñëåííîå ñ ïîìîùüþ (11) çíà÷åíèå çàðÿäà áóäåò âýòîì ñëó÷àå ñîîòâåòñòâîâàòü íåêîòîðîìó ñðåäíåìó èç âåëè÷èíû çàðÿäàêàïëè â íà÷àëå è â êîíöå îïûòà.
Ñîîòâåòñòâóþùèé ðåçóëüòàò íåïðèãîäåí äëÿ îáðàáîòêè è òîëüêî çàïóòûâàåò îïûò. Íóæíî ïîýòîìó ñòàðàòüñÿâîâðåìÿ îòáðîñèòü âñå ñëó÷àè, êîãäà ïåðåçàðÿäêà êàïëè ïðîèçîøëà âîâðåìÿ å¼ ïîäú¼ìà. Ýòî ìîæíî ñäåëàòü, âíèìàòåëüíî íàáëþäàÿ çà äâèæåíèåì êàïëè è îòáðàñûâàÿ îïûòû, â êîòîðûõ êàïëÿ èçìåíèëà ñêîðîñòüïîäú¼ìà âî âðåìÿ èçìåðåíèÿ.7.
Äëÿ îöåíêè òî÷íîñòè èçìåðåíèé ¾ïîäâåñüòå¿ îäíó èç êàïåëü â ýëåêòðè÷åñêîì ïîëå. Îïðåäåëèòå ñîîòâåòñòâóþùåå íàïðÿæåíèå, îòêëþ÷èòååãî è èçìåðüòå âðåìÿ ïàäåíèÿ êàïëè íà ðàññòîÿíèå 23-õ äåëåíèé øêàëû. Ïîìåíÿâ ïîëÿðíîñòü íàïðÿæåíèÿ, âåðíèòå êàïëþ íà ïðåæíåå ìåñòîè ñíîâà ïîäâåñüòå å¼. Ñíîâà çàïèøèòå íàïðÿæåíèå. Ïîâòîðèòå ïðîöåäóðó äëÿ îäíîé êàïëè íåñêîëüêî ðàç è íà ìåñòå îöåíèòå èç ýòîãî îïûòàçàðÿä êàïëè ïî îðìóëå (11), ïîëàãàÿ âðåìÿ ïîäú¼ìà t = ∞. Ïî ðàçáðîñó ðåçóëüòàòîâ (∆V è ∆t) îöåíèòå òî÷íîñòü èçìåðåíèÿ çàðÿäà ýòîéêàïëè.Îáðàáîòêà ðåçóëüòàòîâ1.
Äëÿ âñåõ èññëåäîâàííûõ êàïåëü ðàññ÷èòàéòå çíà÷åíèÿ q , îòëîæèòå èõíà ãîðèçîíòàëüíîé ÷èñëîâîé îñè è íàéäèòå äëÿ íèõ îáùèé íàèáîëüøèéäåëèòåëü. Ýòîò íàèáîëüøèé äåëèòåëü, âîîáùå ãîâîðÿ, ìîæåò îêàçàòüñÿðàâíûì e, 2e, 3e è ò. ä. Îäíàêî, ÷åì áîëüøå çíà÷åíèé q áûëî èçìåðåíîíà îïûòå, òåì ìåíüøå âåðîÿòíîñòü ïîëó÷èòü â êà÷åñòâå äåëèòåëÿ ÷èñëî,îòëè÷íîå îò e. Íàéäåííîå çíà÷åíèå e ïðèâåäèòå â ñèñòåìå åäèíèö ÑÈ èâ ñèñòåìå ÑÑ.2. Îöåíèòå âðåìÿ ðåëàêñàöèè τ = vóñò /g è ðàññòîÿíèå s, êîòîðîå ïðîøëàáû êàïëÿ çà ýòî âðåìÿ ñ óñòàíîâèâøåéñÿ ñêîðîñòüþ:s = vóñò τ =1ght02.126Íîñèòåëè ýëåêòðè÷åñêîãî òîêàÊîíòðîëüíûå âîïðîñû1. Ïî÷åìó íå ñëåäóåò âûáèðàòü êàïëè ñëèøêîì áîëüøîãî è ñëèøêîì ìàëåíüêîãî ðàçìåðà?2.
Êàêèå íàïðÿæåíèÿ ñîîòâåòñòâóþò îïòèìàëüíûì óñëîâèÿì îïûòà? Ïðèâåäèòå ðàñ÷¼òû (ñì. ï. 1).3. Íàðèñóéòå ãðàèê çàâèñèìîñòè ñêîðîñòè êàïëè â ïîëå ñèëû òÿæåñòè îòâðåìåíè è óêàæèòå íà í¼ì âðåìÿ è ïóòü ðåëàêñàöèè.4. Çíàÿ ïàðàìåòðû óñòàíîâêè, îöåíèòå ¼ìêîñòü êîíäåíñàòîðà C è âðåìÿ åãîðàçðÿäêè ÷åðåç ñîïðîòèâëåíèå R (ïëîùàäü ïëàñòèí ≈20 ñì2 ).5.∗ Êàêèå åù¼ ñïîñîáû èçìåðåíèÿ çàðÿäà ýëåêòðîíà âàì èçâåñòíû?ÑÏÈÑÎÊ ËÈÒÅÀÒÓÛÎáùèé êóðñ èçèêè. Ò. III. Ýëåêòðè÷åñòâî. Ì.: Íàóêà,1. Ñèâóõèí Ä.Â.1983.
ë. V, 90.2. Êàëàøíèêîâ Ñ.. Ýëåêòðè÷åñòâî. Ì.: Íàóêà, 1977. ë. XVII, 178.àáîòà 3.3.4a)Èñòî÷íèêïèòàíèÿ ìàãíèòàg gA1R1K1á)Öèðîâîéâîëüòìåòð5Ýåêò Õîëëà â ïîëóïðîâîäíèêàõÖåëü ðàáîòû: èçìåðåíèå ïîäâèæíîñòè è êîíöåíòðàöèè íîñèòåëåéçàðÿäà â ïîëóïðîâîäíèêàõ. ðàáîòå èñïîëüçóþòñÿ: ýëåêòðîìàãíèò ñ èñòî÷íèêîì ïèòàíèÿ,àìïåðìåòð, ìèëëèàìïåðìåòð, ìèëëèâåáåðìåòð, ðåîñòàò, öèðîâîéâîëüòìåòð, èñòî÷íèê ïèòàíèÿ (1,5 Â), îáðàçöû ëåãèðîâàííîãî ãåðìàíèÿ.Ýëåìåíòàðíàÿ òåîðèÿ ñâîáîäíûõ íîñèòåëåé çàðÿäà â ìåòàëëàõ è ïîëóïðîâîäíèêàõ èçëîæåíà âî ââåäåíèè ê ðàçäåëó.Ýêñïåðèìåíòàëüíàÿ óñòàíîâêà. Ýëåêòðè÷åñêàÿ ñõåìà óñòàíîâêèäëÿ èçìåðåíèÿ ÝÄÑ Õîëëà ïðåäñòàâëåíà íà ðèñ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
