Демонстрация фотоэффекта и направленного движения зарядов в воздухе при атмосферном давлении

На изолирующих подставках 4 укрепляют под углом 60° к горизонту параллельно друг другу две пластины: эбонитовую 2 со станиолевой обкладкой 3 и цинковую 1 (рис. 99). Для демонстрации фотоэффекта цинковую пластинку облучают светом, богатым ультрафиолетовыми лучами (электрическая дуга 6 или кварцевая ртутная лампа). Дугу устанавливают на расстоянии 20—25 см от цинковой пластины так, чтобы свет почти нормально падал на нее (с этой целью пластины располагаются наклонно). Пластины подключают к полюсам электростатической машины, причем цинковую пластину (катод) — к отрицательному полюсу, а станиолевую обкладку, находящуюся под эбонитовой пластиной — (анод), к положительному полюсу.

Рис. 99. Схема установки для демонстрации фотоэффекта

Станиолевая фольга приклеивается к эбонитовой пластине клеем БФ. Между эбонитовой пластиной и станиолем прокладывают несколько тонких проводов (жил из многожильного провода), чтобы получился электрический контакт со станиолем.

Размеры пластин: 10 X15 см. Конструкция держателей 5, с помощью которых пластины удерживаются на изолирующих подставках 4, показана на рисунке 99. На время проведения опыта можно использовать скамью и изолирующие подставки от школьного демонстрационного раздвижного конденсатора. При отсутствии последнего пригодны изолирующие подставки для опытов по электростатике.

Рабочее напряжение около 10—12 Такого порядка разность потенциалов возникает на полюсах машины при медленном ее вращении (1 оборот ручки за 2—3 сек). Напряжение на электроды подается одновременно с освещением катода в течение 20 сек (7—8 оборотов ручки).

Непосредственно перед началом опыта, чтобы царапины были свежими, металлическим острием наносят на цинковую пластину какой-либо рисунок или надпись. Рисунок демонстрируют учащимся. Затем пластины укрепляют на штативах, включают и регулируют осветитель и подают напряжение на электроды.

По истечении указанного времени (около 20 сек) вращение машины прекращают и разряжают ее, а эбонитовую пластину снимают с подставки. Затем ватным тампоном, предварительно погруженным в тальк и несколько раз встряхнутым, опыливают эбонитовую пластину тальком так, чтобы слой порошка на пластине был негустой. При опыливании на эбонитовой пластине будет проступать зеркальное изображение рисунка или надписи, нанесенных на цинковой пластине. На рисунке 101 изображена фотография эбонитовой пластины с «проявленным» изображением, которое было сделано на цинковой пластинке (рис. 100).

Рис. 100. Фотография цинковой пластины с надписью перед началом опыта

Рис. 101. Фотография эбонитовой пластины с «проявленным» изображением

Перед каждым опытом для снятия случайных или оставшихся зарядов эбонитовую пластину следует в течение нескольких секунд подержать над пламенем газовой горелки или спиртовки так, чтобы пламя коснулось всей поверхности пластины.

Полярность полюсов электростатической машины перед опытом следует всегда проверять. Тальк может быть заменен ликоподием, суриком, серой, однако при этой замене изображения получаются менее контрастными.

Следует отметить, что частицы порошка, образующие рисунок, удерживаются на пластине достаточно прочно и могут быть удалены лишь при непосредственном стирании ватным тампоном. Это позволяет при демонстрации полученного изображения устанавливать эбонитовую пластину вертикально, поворачивать ее и не бояться случайных ударов и встряхиваний.

При достаточно большой напряженности поля между пластинами (быстром вращении машины) изображение искажается за счет объемных зарядов, возникающих между электродами в результате ионизации при соударениях.

Если линейные размеры цинковой пластины заметно меньше соответствующих размеров эбонитовой пластины со станиолевой обкладкой, то поле получается неоднородным и за счет расхождения силовых линий изображение получается увеличенным.

Очевидно, что подбор условий и режима опыта (скорость вращения машины, время облучения, расположение осветителя и пр.) следует каждый раз уточнять опытным путем, добиваясь наиболее четкого изображения. Эти условия и режим могут несколько отличаться от рекомендуемых, так как, например, напряжение на полюсах машины зависит от ее состояния во время опыта (влажность ее и окружающего воздуха, чистота и т. п.). Подбор этих условий не представляет особых трудностей, и после нескольких проб (которые, разумеется, должны быть осуществлены предварительно) определяется оптимальный режим.

Не следует прибегать к слишком длительным экспозициям, так как при этом линии на изображении ввиду сравнительно высокой плотности накапливающихся отрицательных ионов получаются широкими и рисунок теряет четкость.

При демонстрации изображения в большой аудитории можно использовать эпидиаскоп. Возможен другой вариант опыта. Зачищают всю поверхность цинковой пластины, с тем чтобы она стала имитирующей; на зачищенную поверхность накладывают фигурки из пластилина или приклеивают бумажные фигурки. И затем проделывают опыт в той же последовательности.

Описанная установка позволяет продемонстрировать следующие физические явления:
1. Внешний фотоэлектрический эффект. Если целью является демонстрация главным образом этого явления, то возможен показ дополнительных опытов, подтверждающих природу явления. Так, при отсутствии облучения даже при весьма длительной «экспозиции» никакого изображения не получается. Отсутствует изображение и при изменении полярности электродов.

2. Направленное движение отрицательных зарядов по силовым линиям электрического поля в воздухе при атмосферном давлении (электронно-оптические эффекты в атмосфере).

3. Осаждение свободных зарядов на поверхности диэлектрика и их локализацию в тех местах, которые соответствуют рисунку на катоде. При замене эбонитовой пластины металлической никакого изображения не возникает.

4. Действие электрического поля на порошок из диэлектрика, обнаруживающееся при «проявлении» изображения.