Лауреаты конкурса «Свободный полёт - 2013»

    О фонде  Конкурс Свободный полёт  Конкурс творческих идей  Собрание конкурсных работ  Физика  Математика  Это интересно 

Опыт Толмена–Стюарта по наблюдению инерционного тока в металлах.
Определение знака заряда носителей тока в них и соотношения e/m.

Дата: 1913 (Мандельштам–Папалекси), 1916 (Толмен–Стюарт).

Методы: качественная регистрация явления (Мандельштам–Папалекси), количественное измерение (Толмен–Стюарт).

Прямота эксперимента: непосредственное наблюдение (Мандельштам–Папалекси), практически прямое измерение (Толмен–Стюарт).

Искусственность изучаемых условий: сами условия достаточно просты (ускоренно движущийся проводник), но величина эффекта при малых ускорениях очень мала, поэтому он не наблюдается в повседневном опыте.

Исследуемые фундаментальные принципы: электронный характер тока в металлах.

Ричард Толмен Леонид Мандельштам Николай Папалекси

Эксперименты, проведенные американскими учеными Ричардом Чейсом Толменом (1881–1948) и Томасом Дейлом Стюартом (1890–1958) и в почти не отличающемся виде отечественными физиками Леонидом Исааковичем Мандельштамом (1879–1944) и Николаем Дмитриевичем Папалекси (1880–1947), показали возможность создания кратковременного электрического тока в металлическом проводнике инерционными методами.

Помня, что ток в металлах имеет электронный, а не ионный характер, представим себе проводник в виде автобуса, который резко тормозит. Всех пассажиров, державшихся за поручни или нет, при этом резко подаст вперед сила инерции, при этом стоящие наиболее близко к лобовому стеклу рискуют пробить его и быть выброшенными наружу. Точно так же ведут себя и электроны в кристалле металла при резком его торможении.

В качестве этого проводника использовалась катушка индуктивности, которая раскручивалась вокруг своей оси и резко останавливалась (см. рис. справа). Длина проволоки составляла 500м, а линейная скорость вращения — 500м/с. Катушка с помощью скользящих контактов была подключена к гальванометру, который регистрировал возникновение инерционной ЭДС. Фактически можно сказать, что в данном опыте роль сторонних сил, создающих ЭДС, играла сила инерции.

Эту ЭДС нетрудно посчитать исходя из ее определения через сторонние силы , действующие на заряды внутри проводника, подвергшегося торможению:

где  — заряд электрона, а интегрирование проводится по всей длине тормозящегося провода (т.е. по всей катушке). Используя теперь выражение для силы инерции, упоминавшееся в разделе про маятник Фуко, мы получаем, что в ЭДС дает вклад только сила инерции, связанная с вращательным ускорением , тогда имеем:

где  — длина проводника,  — радиус катушки, а  — ее угловая скорость вращения.

По закону Ома теперь легко получается полный заряд, протекший через гальванометр (считаем, что сопротивление гальванометра гораздо меньше сопротивления самой катушки ):

где  обозначает разность угловых скоростей катушки до и после торможения. Как видим, в зависимости от направления вращения катушки протекший заряд может иметь противоположные знаки, на основе чего в опыте Толмена–Стюарта и был определен знак заряда носителей тока в металле. Практически заряд, протекший в цепи, измеряют с помощью баллистического гальванометра, и это давало возможность определить отношение  для носителей заряда. Оказалось, что это отношение совпало с измеренным Дж.Дж. Томсоном для частиц, из которых состояли катодные лучи (электронов), что убедительно доказало именно электронный характер тока в металлах.

В опыте Мандельштама–Папалекси вместо гальванометра использовался головной телефон (наушники), скрежет в котором можно было интерпретировать как возникновение кратковременного тока. Это, конечно, не давало возможность ни определить знак носителей заряда, ни идентифицировать их, но явно показывало, что ток в металлах «протекает сквозь» кристаллическую решетку, т.е. связан со свободными носителями заряда, а, не с поляризацией, например.

<<К предыдущему эксперименту  |  Электродинамика  |  К следующему эксперименту>>