Inèrcia d’un electró: Tolman - Stuart i Mandelstam - Experiments de Papaleksi

Els científics van realitzar els experiments per trobar la resposta a la pregunta de si els electrons tenen una massa inerta fins al començament del segle XX. Aquests experiments van ajudar a la comunitat científica d’aquella època a establir-se en l’acceptació del fet que el corrent elèctric dels metalls està format precisament per partícules carregades negativament - electrons i no ions carregats positivament, com es pot suposar.

El primer experiment qualitatiu, que va il·lustrar que les partícules carregades que formen el corrent elèctric en metalls tenen precisament massa, va ser realitzat pels científics (aleshores a l’Imperi rus) Leonid Isaakovich Mandelstam i Nikolai Dmitrievich Papaleksi, que va tenir lloc el 1913.

Tres anys després, el 1916, es va realitzar un experiment més exacte dels físics nord-americans Richard Tolman i Thomas Stewart, que en els seus treballs no només van demostrar que l’electró té una massa en un metall, sinó que també la va mesurar amb precisió mitjançant un mètode indirecte mitjançant un galvanòmetre.

Per comprendre el principi d’aquests primers experiments, imagineu un tramvia on els passatgers van a treballar a primera hora del matí. Aquí el tramvia es va dispersar com cal i, davant seu, un vianant dispers va sortint a la dreta.

El conductor del tramvia, que vol salvar la vida del pobre, pressiona fortament els frens: els passatgers del compartiment de viatgers són instantàniament expulsats per tota la gent. I els bufa amb la força d’inèrcia, perquè cada passatger té una massa. I els passatgers que es trobaven més a prop de la cabina del tramvia xocaran amb dolor a la paret.

Mandelstam i Papaleksi van pensar aproximadament de la mateixa manera. Van agafar una bobina de filferro, equipada amb contactes corredissos les seves conclusions aïllades del estoig i van connectar un altaveu (auricular) als contactes corredissos. No desenrotllen la bobina cap a la dreta, aturada bruscament, sonava dinàmicament un clic.

Retorçat a l’esquerra, frenat de manera brusca, feu clic de nou en dinàmica. Conclusió: en el moment d’aturar la bobina, un pols de corrent passa pel seu filferro, que apareix a causa del fet que els electrons en el moment de la frenada de la bobina es descarten fins a la vora del filferro, com els passatgers d’un tramvia.

I la força d’inèrcia aquí juga el paper d’una força externa, que crea el que es pot mesurar com a EMF. Aquesta conclusió, per descomptat, no va permetre als investigadors reconèixer el signe dels portadors de càrrega i d’alguna manera identificar-los de manera exclusiva, tot i així, l’experiment de Mandelstam i Papaleksi va mostrar clarament que el corrent en els metalls segueix el seu camí a través de la gelosia de cristall, cosa que significa que està connectat amb el lliure. operadors de càrrega.

Tolman i Stuart van decidir anar una mica més enllà. També van enrotllar la bobina, només es va mesurar la longitud del filferro igual a 500 metres i van començar a desenrotllar-la. No es va sotmetre a problemes fins que es va assolir una velocitat lineal de 500 m / s exactament per saber la relació entre l'emf obtinguda i l'acceleració.

Ja no era un altaveu, sinó que es connectava un dispositiu més informatiu, un galvanòmetre, als terminals corredissos de la bobina. Al final de l'experiment, els investigadors van integrar la força extrema al llarg de tota la longitud del conductor de la bobina i van obtenir una expressió per a l'EMF creada per la força d'inèrcia extrana quan la velocitat canvia a zero.

La càrrega total que travessava el conductor es podia calcular segons la llei d'Ohm, tenint en compte la resistència del fil conductor. Així doncs, coneixent la velocitat del fil abans de frenar, la longitud del filferro, la seva resistència, la direcció de gir, el temps de frenada, la magnitud i el signe de l’emf, podeu trobar el signe i la magnitud de la càrrega específica, que va fer Stuart i Tolman.

Avui ja no sembla estrany a ningú que la relació de càrrega d’electrons amb massa mesurada per Stuart i Tolman coincidís amb l’obtinguda fa gairebé 20 anys, el 1897 per J.J. Thomson, la càrrega específica de les partícules que componien els rajos catòdics. Ara sabem probablement que tant els rajos catòdics com el corrent en metalls es formen a partir de les mateixes partícules elementals carregades negativament: els electrons.