Гіпермаркет Знань>>Фізика і астрономія>>Фізика 9 клас>> Фізика: Дискретність електричного заряду

Прилад для порівняння величини електричного заряду у різних тіл називається електрометр. Він відрізняється від електроскопа тим, що пелюстки замінили на легеньку стрілку, закріплену на вертикальному стержні так, що вона може обертатися. Кут відхилення стрілки від положення рівноваги залежить від модуля отриманого приладом заряду.  Для порівняння заряду прилад обладнано шкалою. Переглянути як працює прилад можна на відео 1.

Рис.10 Електрометр Брауна з додатковим обладнанням

За допомогою електрометра можна дослідити властивості електричного заряду тіл. Одна з них – подільність. Як видно з експерименту, проведеного із двома електрометрами (відео 2), електричний заряд порівну розподіляється між двома однаковими тілами, з’єднаними провідником. Експеримент із поділом електричного заряду можна проводити до межі чутливості електрометра (відео 3). При такому спостереженні виникли наступні запитання : чи можна ділити електричний заряд до безмежності, чи існують елементарні носії електричного заряду, чи існує найменший електричний заряд? 

Рис. 11 Взаємодія кадотних променів з речовиною

Пошук відповіді на це запитання тривав протягом ХІХ початку ХХ ст. Досліджуючи проходження електричного заряду через скляну трубку з вилученим повітрям, німецький фізик Йоган Гітторф та його послідовник Еуген Гольдштейн встановили, що в трубці утворюється потік негативно заряджених часток, які відхиляються в магнітному полі та можуть викликати хімічні зміни у речовині, на яку вони потрапляють (відео 4). Цей потік отримав назву «катодні промені».

Рис.12 Схема досліду Міллікена по визначенню величини заряду електрона

1897 року британських дослідник Джозеф Томсон та німецький дослідник Еміль Віхерт, незалежно один від одного встановлюють відношення величини електричного заряду частки катодних променів до її маси. Існування носія елементарного електричного заряду було доведено. Він мав негативний заряд та був названий електроном. 1910 року американський дослідник Роберт Міллікен провів експеримент із зарядженими мікроскопічними краплинами масла, які падали між протилежно зарядженими металевими пластинами та з’ясував, що заряд краплини можна змінювати лише на деяке фіксоване значення його величини.

Поспостерігайте зміну швидкості падіння крапель масла на інтерактивній моделі досліду Міллікена. 

Так вперше було визначено значення найменшого електричного заряду. За сучасними вимірами заряд електрона складає – 1,61×10^-19 Кл, а його маса 9,1×10^-31 кг. 1919 року британський фізик Ернст Резерфорд, дослідивши розподіл електричного заряду всередині атома, встановлює існування носія позитивного електричного заряду. Він називає частку протоном. Протон є часткою, що входить до складу атомного ядра. Його заряд рівний по модулю заряду електрона, а маса 1,67×10^-27 кг. 1932 року у складі космічних променів, що проникаю у верхні шари атмосфери було відкрито антипод електрона – елементарну частку позитрон. Вона має такий же як у протона позитивний електричний заряд і масу, рівну масі електрона. Проте ця частка входить до переліку античасток, які існують лише до контакту зі звичайними стаціонарними частками. Модуль заряду електрона протона та позитрона виявився однаковим. Це значення називають елементарним електричним зарядом та користуються для нього спеціальною позначкою e.

 е = 1,61×10^-19 Кл

Рис.13 Кваркова модель протона

Відкриття значної кількості нових елементарних часток протягом ХХ ст., наводило дослідників на думку про існування їх більш дрібніших складових. Математична модель будови елементарних часток, запропонована американським дослідником Мюрреєм Гел Маном 1964 року включає субелементарні частки, які отримали назву кварки. За цією моделлю, вони повинні мати ще менший електричний заряд ніж елементарний. Дослідження протона за допомогою прискорювача елементарних часток показало наявність усередині нього трьох центрів концентрації електричного заряду, що узгоджується із кварковою моделлю. Проте існування відокремлених часток із меншим зарядом ніж елементарний на сьогоднішній день не встановлено.
 
Контролюючий блок.

1.    На який максимальний кут може відхилитися стрілка електрометра, з’єднаного з зарядженим тілом?
2.    Чому електрометр використовують лише для порівняння електричного заряду тіл, а не для точного вимірювання?
3.    Чи можна встановити знак заряду наелектризованого тіла, торкнувшись ним незарядженого електрометра?
4.    В експерименті по поділу електричного заряду (відео 2) кут відхилення стрілок електрометрів однаковий після з’єднання їх провідником. Яким буде цей кут у кожного з електрометрів, якщо на одному з них буде куля більшого радіуса?
5.    Скільки додаткових електронів знаходиться на тілі, яке має заряд – 1,61×10-9 Кл?
6.    Поверхня кулі електрометра має заряд - 2 нКл. Скільки електронів залишиться на її поверхні після 10 доторку до неї незарядженою кулею (після доторку іншу кулю розряджають)? 
7.    Краплина масла, радіусом 8 мм, що мала заряд – 5 нКл, розпорошилася на однакові дрібні краплини, радіусом 8 мкм. Скільки зайвих електронів буде на одній з маленьких краплин? (об’єм кулі обчислюється за формулою  )

 Автор Повного уроку — Чернецький Ігор Станіславович, глава Асоціації вчителів фізики "Шлях освіти-ХХІ" , м. Кам’янець-Подільський