تعيين الكمية الأساسية (e/K)

تعيين الكمية الأساسية (e/K)

• تُعتبر تجارب تحديد قيم الثوابت الأساسية فيزيائية هامة.
• لا يمكن الاعتماد على نتائج التجارب الأخرى دون معرفة دقيقة للقيم الأساسية.
• تُعتبر تجربة مليكان لتعيين شحنة الإلكترون وتجربة مليكان لتعيين ثابت بلانك من التجارب المهمة.
• يجب أن تُعتمد طريقة القياس على الوحدات الأساسية (كيلوغرام، متر، ثانية، كولوم).
• يجب أن تكون العلاقات الرياضية المستخدمة دقيقة وبدون تقريب (أو تقريب لا يؤثر على النتيجة).
• يجب أخذ كافة مصادر الخطأ في الحساب عند إجراء التجربة.
• يُستخدم ترانزيستور سيليكوني لتعيين قيمة e/K (حيث e شحنة الإلكترون و K ثابت بولتزمان).
• القيمة المعترف بها حاليًا لـ e/K هي 11604.859 كولوم/جول.
• يُفترض وجود وصلة ثنائية لتحديد العلاقة.
• يلزم وجود جهد (V_a - V) فولت لكي تصل الثقوب إلى الوصلة السالبة.

العلاقة الرياضية

• يتساوى تيار الثقوب المار خلال حاجز الجهد مع exp[-e(V_d-V)/KT].
• تيار الإلكترون في نفس اتجاه تيار الثقوب يساوي Ip {exp(eV/KT)-1}.
• التيار الكلي I= Ip + In = (Ip +In) [exp(eV/KT) -1]
• عندما تكون (exp(e/KT) >> 1، يمكن تبسيط المعادلة إلى I = I_, exp(eV/KT)
• يؤدي رسم العلاقة بين Ln I و V إلى خط مستقيم، حيث ميل الخط يساوي (e/KT).
• تُحسب قيمة e/K بمعرفة درجة حرارة الوسط بالتقدير المطلق (كلفن).

حالات خاصة

• تكون العلاقة العامة I = I_. {exp(eV/mKT) -1} للمقوم الثنائي، بحيث m معاملٌ يكون قيمته ما بين 1 و 2.5.
• يُفضل استخدام الترانزيستور بدلًا من المُقوم الثنائي لتحديد ثابت e/K دون الاعتماد على m.
• يستخدم ترانزيستور بقيمة m=1 و V_bc=0 (توصيل القاعدة المشتركة) في التجربة
• ينتج عن ذلك العلاقة I (bc) = I exp[e V(be)/KT]

أدوات التجربة

• تُستخدم أدوات مثل ترانزيستور، فولتميتر (ذو مقاومة دخول عالية)، ومجزئ جهد.

خطوات العمل

• توصيل الدائرة كما في الشكل المقدم.
• قياس جهد المشع والنتائج.
• رسم العلاقة لـ Ln I(bc) مقابل V(be).
• استخدام ميل الخط المستقيم لتعيين e/K.
• قياس درجة حرارة الوسط.
• حساب قيمة e/K.

أسئلة للمراجعة

• ما هي وظيفة الوصلة الموجبة والسالبة في المُكونات الإلكترونية؟
• لماذا يجب استخدام فولتميتر ذو مقاومة دخول عالية؟
• لماذا لا يمكن زيادة الجهد المطبق في الدوائر السابقة؟