实验原理
测定电子的电量可以采用静态(平衡)测量法,也可采用动态(非平衡)测量法,本实验采用静态测量法。
用喷雾器将油喷入两块相距为d的水平放置的平行极板之间,油在喷射撕裂成油滴时,一般都带上电荷,假如油滴的质量为m ,所带的电量为q,两极板间的电压为U 。油滴在极板间同时受到重力和电场力两个力的作用。E 为两极板间的电场强度,如果调节两极板间的电压U 可使重力和电场力平衡,则有关系式:
改变加在两极板上的电压时,油滴在极板间上下游动,当重力和电场力平衡时,电荷静止在某一位置。
此时油滴会静止地悬浮在电场中,并保持平衡。可见只要测出油滴质量 m,电压V 和两极板间距 d,就可求出油滴所带的电量q 。 因为m 很小(数量级在 10-15 ㎏左右),因此需用以下的特殊方法测定。
平行板不加电压时,油滴在空气中自由下落,下落过程中受三个力的作用:重力mg ;空气浮力f1 ;空气对它的阻力f2。
由于表面张力的作用,油滴一般呈小球状。设油滴的密度为ρ ,半径为a ,则油滴的质量m为:
重力及空气浮力可表示为:
式中r¢ 为空气密度。
根据斯托克斯定律,空气阻力可表示为
式中η 为空气粘滞系数,u 为油滴下落速度。可见粘滞阻力与速度成正比。当油滴下落速度达到某一数值时,油滴所受合外力等于零时,油滴匀速下降。此时有:
一般情况下,r>>r¢ 空气浮力可以忽略。
实验中油滴半径约为10-6m 左右,此半径与空气分子间的间隙大致相等,因此空气的粘滞系数修改为
式中b 为修正常数,b=6.17×10-6m米. 厘米汞高,p为大气压强,单位为厘米汞高,最终可得油滴的带电量:
此式是本实验的基本公式。本实验将验证电荷的不连续性,测定电子的电荷。