Прибор для определения величины элементарного заряда
Прибор для определения величины элементарного заряда, содержащий электролитическую ячейку, в которой находится цилиндрический катод и произвольной формы анод, погруженные в электролит, электродвигатель, который приводит во вращательное движение катод, источник постоянного тока, амперметр для выставления необходимого тока, секундомер для фиксирования времени прохождения электролиза, отличающийся тем, что в прибор введены диэлектрический груз, расположенный снизу на катоде, оптический микроскоп с предметным столиком, к которому прикреплена электролитическая ячейка, веб-камера, прикрепленная к окуляру микроскопа, ПЭВМ, соединенная с веб-камерой, при этом электролитическая ячейка изготовлена из прозрачного материала, на который нанесена сетка, причем на мониторе ПЭВМ обеспечивается получение изображения катода и сетки, в качестве осветителя оптического микроскопа используется светодиод. 2 ил.
Изобретение относится к учебным приборам по физике и может быть использовано при проведении лабораторных работ в средних школах и вузах при изучении раздела электродинамики.
Известен прибор для определения параметров электролиза путем измерения массы вещества, выделившегося на катоде, при помощи весов [1]. Недостатком этого способа является низкая точность.
Известен прибор для определения параметров электролиза, содержащий сосуд с электролитом, рычажные весы с гирями, секундомер, соединенные в электрическую цепь анод и катод, погруженные в электролит, амперметр, выключатель и источник питания [2]. Недостатком этого способа является низкая точность.
Известен прибор для определения параметров электролиза, у которого катод имеет вид цилиндрической проволоки, вращающейся при помощи электродвигателя, а прирост массы катода находят способом измерения электросопротивления [3] - прототип. Недостатком этого прибора является низкая точность.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в известном приборе для определения параметров электролиза, содержащем электродвигатель, электролитическую ячейку, в которой находятся цилиндрический катод и анод произвольной формы, для определения элементарного заряда прибор содержит веб-камеру, соединенную с ПЭВМ, электролитическая ячейка прикреплена к предметному столику оптического микроскопа, в качестве осветителя которого использован светодиод, при этом ячейка изготовлена из прозрачного материала, на который нанесена, а веб-камера прикреплена к окуляру микроскопа. Кроме того, в качестве шкалы использована дифракционная решетка.
На фиг.1 представлен предлагаемый прибор.
Прибор состоит из опрокинутого школьного биологического микроскопа 1 с предметным столиком 2, зеркалом 3 и сменными объективами 4. На предметном столике 2 прикреплена специальная экспериментальная ячейка 5, в которой происходит электролиз. За окуляром микроскопа расположена веб-камера 6 с выходным USB-портом. Выход устройства 6 соединен кабелем 7 с системным блоком 8 ПЭВМ. На мониторе 9 ПЭВМ наблюдаем за процессом электролиза, происходящим в ячейке 5. При этом происходит увеличение диаметра катода 10, который приводится во вращательное движение при помощи электродвигателя 11. Освещенность катода с целью получения качественного изображения на мониторе 9 компьютера регулируется при помощи зеркала 3 и светодиода 12. В качестве электролита 13 использован 10%-ный раствор медного купороса в дистиллированной воде.
Подробная схема ячейки 5 приведена на фигуре 2. Она состоит из корпуса 14, в который помещен катод 10, прикрепленный к оси электродвигателя 11 верхним концом. К нижнему концу катода прикреплен диэлектрический груз 15. Внутри корпуса прикреплен к боковой стене анод 16, который соединен с клеммой 17, находящейся на передней стенке сосуда. На этой же стенке находится микроскопическая шкала 18.
Прибор работает следующим образом. В исходном состоянии в ячейке 5 находится водный раствор медного купороса, клеммы 17 соединены с источником постоянного тока (не показан). На мониторе 9 настроено четкое изображение катода 10. Перед включением всех частей установки измеряем диаметр катода d0 с помощью микрометра. Далее мы включаем электродвигатель для обеспечения равномерного нанесения меди на катод и подаем напряжение на ячейку. По амперметру (не показан) выставляем необходимый ток. После завершения электролиза выключаем электродвигатель и снова получаем четкое изображение катода. Получаем четкое изображение микрометрической шкалы 18 и путем наложения ее на изображение катода находим отношение d/d0. Измеряем длину l погруженной части катода.
Время прохождения электролиза фиксируется с помощью секундомера (не показан).
Таким образом, мы получаем величины, нужные для вычисления величины элементарного заряда по формуле е=M4It/Z·ρ·π·l·d0 2[(d/d0)2-1]NA, где М - молярная масса вещества катода (для меди составляет 63,54 г/моль); I - сила тока, протекающего через электролит; t - время его протекания; Z - его валентность (для меди Z=2); ρ - плотность вещества осаждаемого на катоде; π=3,14; l - длина проволоки; d0 и d - начальный и конечный диаметры проволоки соответственно; NA=6,022·1023 моль-1 - число Авогадро.
Источники информации
1. Богданова Т.Н., Субботина Е.П. Руководство к практическим занятиям по физике. - М.: Советская наука, 1949, с.289-291.
2. Прибор для определения параметров электролиза. Авторское свидетельство СССР №1663621, G09B 23/18.
3. Способ определения параметров электролиза. Патент Российской Федерации по изобретению №2094854, G09B 23/18.
Прибор для определения величины элементарного заряда, содержащий электролитическую ячейку, в которой находится цилиндрический катод и произвольной формы анод, погруженные в электролит, электродвигатель, который приводит во вращательное движение катод, источник постоянного тока, амперметр для выставления необходимого тока, секундомер для фиксирования времени прохождения электролиза, отличающийся тем, что в прибор введены диэлектрический груз, расположенный снизу на катоде, оптический микроскоп с предметным столиком, к которому прикреплена электролитическая ячейка, веб-камера, прикрепленная к окуляру микроскопа, ПЭВМ, соединенная с веб-камерой, при этом электролитическая ячейка изготовлена из прозрачного материала, на который нанесена сетка, причем на мониторе ПЭВМ обеспечивается получение изображения катода и сетки, в качестве осветителя оптического микроскопа используется светодиод.
