Άρθρα με καρτέλα "Γενικά"

Από την ιστορία του ηλεκτρονίου – το πείραμα του Millikan

Robert Andrews Millikan

Γεννήθηκε στις 22 Μαρτίου του 1868, πήρε Bachelor από το Oberlin College το 1891, ενώ το doctora του στη φυσική από το Columbia University το 1895. Ήταν μάλιστα ο πρώτος που πήρε phd από το συγκεκριμένο ίδρυμα.Ο Μίλλικαν υπολόγισε την αριθμητική τιμή της θεμελιώδους μονάδας του ηλεκτρικού φορ­τίου με βάση μια σειρά πειραμάτων που πραγματοποίησε το 1909. Στα πειράματα αυ­τά, ο Μίλλικαν εισήγαγε με έναν ψεκαστήρα μικροσκοπικά σταγονίδια ελαίου μέσα σε έναν θάλαμο που βρισκόταν μεταξύ ηλεκτρικά φορτισμένων πλακών – δηλαδή μέ­σα σε ένα ηλεκτρικό πεδίο. Όταν το πεδίο που εφαρμοζόταν ήταν ισχυρό, κάποια από τα σταγονίδια κινούνταν προς τα πάνω, γεγονός που υποδείκνυε ότι έφεραν ένα πολύ μικρό αρνητικό φορτίο. Ο Μίλλικαν ρύθμισε την ένταση του πεδίου έτσι ώστε τα σταγονίδια να αιωρούνται ακίνητα. Γνώριζε ότι όταν συνέβαινε αυτό η προς τα κάτω δύναμη της βαρύτητας στα ακίνητα σταγονίδια αντισταθμιζόταν ακριβώς από την προς τα πάνω ηλεκτρική δύναμη. Αναλύοντας τα πειραματικά δεδομένα, διαπίστωσε ότι το φορτίο κάθε σταγονιδίου ήταν πάντοτε ακέραιο πολλαπλάσιο μιας σταθερής πολύ μικρής ποσότητας, και κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η ποσότητα αυτή αντι­προσώπευε τη θεμελιώδη μονάδα του ηλεκτρικού φορτίου. Ο Μίλλικαν ήταν ο πρώ­τος που προσδιόρισε το φορτίο του ηλεκτρονίου. Η τιμή που βρήκε ο Μίλικαν για το φορτίο του ηλεκτρονίου, θεωρούνταν για αρκετά χρόνια απολύτως σωστή. Ωστόσο, το 1929 αποδείχθηκε ότι η τιμή αυτή είχε ένα σφάλμα της τάξης του 1%, πολύ μεγαλύτερο από το αναμενόμενο, λόγω κακής μέτρησης του ιξώδους του αέρα. Οι παραδεκτές τιμές σήμερα, για τη μάζα και το φορτίο του ηλεκτρονίου είναι : m=9,1083.10-28 γραμμάρια (gr) και φορτίο e =1,6021 .10-19 κουλόμπ (Cb).
Χρησιμοποιώντας αυτήν την τιμή και τον λόγο της μάζας προς το φορτίο, τον οποίο είχε προσδιορίσει ο Τόμσον, υπο­λόγισε ότι η μάζα του ηλεκτρονίου είναι το 1/2000 της μάζας του ελαφρύτερου γνω­στού ατόμου, του ατόμου του υδρογόνου. Το αποτέλεσμα αυτό επιβεβαίωσε ότι το άτομο δεν είναι το υλικό σωμάτιο με τη μικρότερη μάζα. Για τη συνολική του συνει­σφορά στη φυσική, ο Μίλλικαν τιμήθηκε με το βραβείο Νομπέλ Φυσικής το 1923.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ:

1. http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1902/zeeman-bio.html

2.http://www.livepedia.gr/index.php/%CE%97%CE%BB%CE%B5%CE%BA%CF%84%CF%81%CF%8C%CE%BD%CE%B9%CE%BF

3. Φυσική Α΄ Τάξη Ενιαίου Πολυκλαδικού Λυκείου, ΟΕΔΒ, 1996, Αθήνα.

4. Φυσική Β΄Ενιαίου Λυκείου, ΟΕΔΒ,1998, Αθήνα.

5. Hewitt,P,(1992) Οι έννοιες της φυσικής, ΠΕΚ.

6. http://users.sch.gr/kassetas/education.htm

Ετικέτες: , ,

Τζουλ: ο ζυθοποιός και η διατήρηση της ενέργειας

Το ευφυές πείραμα του Joule

Τζέιμς Πρέσκοτ Τζουλ
O Τζέιμς Τζουλ (James Ρrescott Joule) ήταν κατ΄ επάγγελμα ζυθοποιός αλλά και φανατικός ερασιτέχνης φυσικός που δεν πήγε ποτέ σχολείο. Στα παιδικά του χρόνια διδάχθηκε τις βασικές γνώσεις κατ΄ οίκον και στη συνέχεια σπούδασε φυσικές επιστήμες με τον ΤζονΝτάλτον (John Dalton), τον χημικό που αναβίωσε την ατομική θεωρία του Δημόκριτου στη σύγχρονη εποχή. Μετά τις σπουδές του ασχολήθηκε με την οικογενειακή επιχείρηση ζυθοποιίας έως ότου αυτή πουλήθηκε, οπότε έμεινε απερίσπαστος στην επιστημονική έρευνα, που πάντα τον ενδιέφερε. Στην αρχή, θέλοντας να αντικαταστήσει την ατμομηχανές του εργοστασίου με ηλεκτροκινητήρες, ασχολήθηκε με τη μελέτη των φαινομένων του ηλεκτρικού ρεύματος. Τότε ήταν που διατύπωσε τον γνωστό νόμο του Τζουλ, σύμφωνα με τον οποίο η θερμότητα που παράγεται σε ένα σύρμα ανά μονάδα χρόνου είναι ανάλογη της αντίστασής του και του τετραγώνου του ρεύματος που το διαρρέει. Από αυτό το αποτέλεσμα οδηγήθηκε στο συμπέρασμα ότι η θερμότητα δεν προέρχεται από το σύρμα, αλλά από το ηλεκτρικό ρεύμα. Η θερμότητα, επομένως, δεν είναι αποτέλεσμα της περιεκτικότητας ενός σώματος σε θερμιδικό, όπως είχε προτείνει ο Λαβουαζιέ, αλλά μια μορφή ενέργειας, όπως η μηχανική ή η ηλεκτρική.

Μετρήσεις στον καταρράκτη

Απεικόνιση της συσκευής του Joule σε χαλκογραφία της εποχής

Οι ιδέες του Τζουλ δεν έβρισκαν ανταπόκριση στην επιστημονική κοινότητα της εποχής του, κυρίως επειδή δεν είχε ούτε πανεπιστημιακή μόρφωση αλλά ούτε και επιστημονική θέση. Εξαίρεση σε αυτή την κατάσταση αποτελούσε ο Γουίλιαμ Τόμσον, ο γνωστός λόρδος Κέλβιν, ο οποίος είχε συναντηθεί αρκετές φορές με τον Τζουλ και είχε ακούσει με ενδιαφέρον τις ιδέες του τελευταίου. Μία από τις συναντήσεις τους είχε μάλιστα πραγματοποιηθεί στο Σαμονί, όπου ο Τόμσον είχε πάει για ορειβασία και ο Τζουλ για γαμήλιο ταξίδι. Εκεί αποφάσισαν να κάνουν ένα πείραμα για να ελέγξουν τη βασιμότητα των ιδεών του Τζουλ, μετρώντας τη θερμοκρασία του νερού στην κορυφή και στη βάση του καταρράκτη Αρπενάζ (Αrpenaz).

Ο λόγος είναι ότι, σύμφωνα με τις ιδέες του Τζουλ, η δυναμική ενέργεια του νερού στην κορυφή της υδατόπτωσης μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια στη βάση της, οπότε η θερμοκρασία εκεί θα έπρεπε να είναι υψηλότερη από ό,τι στην κορυφή. Υπενθυμίζω ότι κάτι παρόμοιο συμβαίνει στα υδροηλεκτρικά εργοστάσια, όπου η δυναμική ενέργεια του νερού μετατρέπεται σε ηλεκτρική. Δυστυχώς, παρ΄ όλο που η υψομετρική διαφορά αυτού του καταρράκτη είναι 270 μέτρα, και άρα σημαντική, η θερμοκρασία στη βάση ήταν δύσκολο να μετρηθεί, λόγω της μικρής παροχής (1 κ.μ. ανά δευτερόλεπτο) και της συνακόλουθης έντονα ακανόνιστης ροής του νερού. Ετσι αυτό το πείραμα των ΤζουλΤόμσον δεν έδωσε αξιοποιήσιμα αποτελέσματα. Αξίζει να σημειωθεί ότι μεταγενέστερα έγινε ένα αντίστοιχο πείραμα στους καταρράκτες του Νιαγάρα, που έχουν υψομετρική διαφορά μόνο 53 μέτρα αλλά παροχή 3.000 κ.μ. ανά δευτερόλεπτο, και μετρήθηκε διαφορά θερμοκρασίας ίση με 1,5 βαθμούς Κελσίου.

Το ευφυές πείραμα

Η συσκευή του Joule

Για να μετρήσει με ακρίβεια την αναλογία μηχανικής προς θερμική ενέργεια, αυτό που σήμερα ονομάζουμε μηχανικό ισοδύναμο της θερμότητας , ο Τζουλ επινόησε μια από τις πιο ενδιαφέρουσες πειραματικές διατάξεις. Αυτή αποτελείται από ένα θερμικά μονωμένο κυλινδρικό δοχείο, γεμάτο με νερό, τοποθετημένο κατακόρυφα. Στο εσωτερικό του δοχείου περιστρέφεται μια φτερωτή ενώ στα τοιχώματα του δοχείου υπάρχουν σταθερά πτερύγια, στα διάκενα των πτερυγίων της φτερωτής. Στον άξονα της φτερωτής είναι τυλιγμένος ένας σπάγκος, στην άλλη άκρη του οποίου είναι δεμένο ένα βάρος. Αν αφήσουμε το βάρος να πέσει από ένα ορισμένο ύψος, ο σπάγκος περιστρέφει τη φτερωτή έως ότου το βάρος φτάσει στο έδαφος. Τότε η δυναμική ενέργεια του βάρους έχει μετατραπεί σε θερμότητα, λόγω τριβής μεταξύ των μορίων του νερού, η οποία έχει ανεβάσει τη θερμοκρασία του νερού στο δοχείο.

Ο Τζουλ μετρούσε τη θερμοκρασία του νερού πριν και μετά το πείραμα και υπολόγιζε στη συνέχεια πόσες θερμίδες είχαν προστεθεί στο νερό, από τη γνωστή σχέση της θερμιδομετρίας Q mc Δ Τ, όπου m η μάζα του νερού, Δ Τ η μεταβολή της θερμοκρασίας καιc η ειδική θερμότητα του νερού, που ισούται με 1. Στη συνέχεια εξίσωνε τη θερμότητα Q, μετρημένη σε θερμίδες, με τη δυναμική ενέργεια του βάρους μετρημένη στις μονάδες ενέργειας εκείνης της εποχής, και υπολόγιζε το πηλίκο των δύο αριθμών. Η δυναμική ενέργεια, W, είναι ίση με Μgh, όπου Μ η μάζα του βάρους, h το ύψος πτώσης και g η επιτάχυνση της βαρύτητας, που στο σημερινό σύστημα μονάδων ισούται με 10. Επειδή η μάζα του βάρους και το ύψος πτώσης μπορούν να μετρηθούν με μεγάλη ακρίβεια, είναι φανερό ότι η ακρίβεια του υπολογισμού του μηχανικού ισοδύναμου της θερμότητας απαιτούσε όσο το δυνατόν μεγαλύτερη ακρίβεια στη μέτρηση της θερμοκρασίας του νερού.

Με το πιο εξελιγμένο από τα πειράματά του ο Τζουλ μπόρεσε να υπολογίσει ότι 1 θερμίδα ισούται με 4,16 joule. Το παραπάνω αποτέλεσμα είναι πάρα πολύ κοντά στην τιμή του ισοδυνάμου της θερμότητας που δεχόμαστε σήμερα, 4,19 joule ανά θερμίδα. Το πείραμα του Τζουλ ήταν η πρώτη αδιαμφισβήτητη πειραματική απόδειξη της αρχής διατήρησης της ενέργειας, η οποία αποτελεί ένα από τα θεμέλια της σημερινής Φυσικής. Για τον λόγο αυτόν η μονάδα ενέργειας του πλέον διαδεδομένου σήμερα συστήματος φυσικών μονάδων έχει ονομασθεί joule, προς τιμήν του μεγάλου ερασιτέχνη φυσικού.

Ο Χάρης Βάρβογλης είναι καθηγητής του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ

Αναδημοσιευση Απο Βημα

Ετικέτες: ,

διαγώνισμα Β’ λυκείου γενικής

Δείτε το στο slideshare.net

Δείτε το στο slideshare.net

Ετικέτες: , ,

Κίνηση ηλεκτρικού φορτίου σε ομογενές ηλεκτρικό πεδίο

Αυτά που λέγαμε σήμερα στην κατεύθυνση της Β’ λυκείου.

Στην παρακάτω προσομοίωση, έχετε την δυνατότητα να μεταβάλετε τις ποσότητες:

1) ταχύτητα εισόδου του φορτίου στο πεδίο,

2) ένταση του ηλεκτρικού πεδίου,

3) τον λόγο q/m του φορτίου.

Κάνετε αλλαγές και προβλέψτε την κίνηση του φορτίου.

Για να εκτελέσετε το εικονικό πείραμα πατήστε εδώ.

Περισσότερες προσομοιώσεις για όσους θέλουν θα βρουν στην σελίδα του Ηλία Σιτσανλή.

Ετικέτες: ,

Εργαστήριο ηλεκτρισμού

Παίξετε, κατασκευάζοντας απλά

ή και πολύπλοκα

ηλεκτρικά κυκλώματα!

Από την σπουδαία συλλογή Phet του πανεπιστημίου

του Colorado.

Ξεκινήστε με απλά βήματα στο

εργαστήριο ηλεκτρισμού.

Φτιάξτε κυκλώματα και κάνετε μετρήσεις.

Κυκλώματα σε σειρά και παράλληλα.

Με αρκετούς κόμβους και κλάδους.

Μετρήσετε τις εντάσεις στους κλάδους και βγάλετε συμπεράσματα.

Προετοιμαστείτε να τα επαναλάβετε και αληθινά,

στο επόμενο εργαστηριακό μάθημα !

Ετικέτες: ,

Top
Αλλαγή μεγέθους γραμματοσειράς
Αντίθεση
Μετάβαση σε γραμμή εργαλείων