Strom ist einfach. Shuffle-shuffle-touch-OW! Das ist Strom, Baby...

Der Nachweis des Elektrons ist etwas komplizierter, aber in Anlehnung an diese Frage und ihre Antwort von unserer Schwesterseite Physics.SE finden wir das Experiment Millikan Oil Drop .

Grundsätzlich durften Öltröpfchen zwischen zwei Metallplatten mit einem elektrischen Feld (Tausende von Volt, versuchen Sie das nicht zu Hause) zwischen ihnen fallen. Das Ergebnis ist, dass sich die Partikel bei einer Änderung der Spannung auf und ab bewegen würden. Das Ergebnis der Analyse ist die Fähigkeit, die Ladung eines Elektrons mathematisch und empirisch zu bestimmen.

Was Sie natürlich nur tun können, wenn es existiert.

Es macht jedoch mehr Spaß, einen Ballon auf dem Kopf zu reiben. So ist es, eine Katze mit einem Glasstab zu reiben und Ihren Freund zu berühren. Die Existenz von Elektrizität zu beweisen ist so trivial, dass es schwer ist, an die Existenz des Arguments zu glauben – es sei denn, sie haben keinen Zugang zu Elektrizität und wollen nicht mit einem Drachen, einem Schlüssel und einem bequemen Gewitter in Ben Franklins Fußstapfen treten .

Konkurrierende Theorien

Wie andere Leute darauf hingewiesen haben, sind elektrische Phänomene so alltäglich, dass es für einen Gelehrten irrational wäre, zu ignorieren, was ein Stück Pelz und ein Glasstab einem zeigen können. Der Nachweis, dass elektrische Phänomene das Ergebnis der gegenseitigen Anziehung oder Abstoßung winziger, unteilbarer geladener Teilchen sind, ist ein viel schwierigeres Unterfangen; Es würde wahrscheinlich mehr als ein Experiment erfordern, um die „Anti-Elektriker“ davon zu überzeugen, dass Elektronen real sind. Darüber hinaus sind Sie vielleicht immer noch skeptisch, dass elektrische Phänomene stark genug sind, um die Maschinen der Vergangenheit anzutreiben.

So würde ich es an einem Wochenende mit einem Raum voller Zweifler und einem vorbereiteten Labor voller 1700-1800-Technologie machen:

1) Zwei Arten von Gebühren

Unter Verwendung verschiedener triboelektrischer Materialien (Pelz- und Glasstab, Kunststoff und Filz usw.) würde ich dann abwechselnd die Ladung (durch Berührung) auf einige schwebende Metallkugeln übertragen: Nehmen wir als Beispiel den Fell- und Glasstab dort gibt es drei möglichkeiten:

1. Ich berühre das Fell unabhängig voneinander mit beiden Metallkugeln. In diesem Fall stoßen sich die beiden Kugeln ab.
2. Ich berühre das Glas unabhängig voneinander mit beiden Metallkugeln. In diesem Fall stoßen sie immer noch ab.
3. Ich berühre das Glas mit einer Kugel und das Fell mit der anderen. In diesem Fall ziehen sie sich an.

Daraus, und indem ich das Experiment für verschiedene Materialien wiederhole, stelle ich die Hypothese auf, dass es nur zwei Arten von Ladungen gibt und ähnliche Ladungen sich abstoßen, während sich Gegensätze anziehen. Beachten Sie, dass dies nichts darüber aussagt, dass Gebühren diskret sind. Ich muss noch zeigen, dass das Vorhandensein von „positiver“ und „negativer“ Ladung nicht flüssigkeitsartig ist (dh es ist eine kontinuierliche Substanz ohne „kleinste Menge“).

2) Crookes Rohr

Nachdem ich das Reiben von Glas auf Pelz oder Filz und Kunststoff demonstriert habe, können Ladungen getrennt werden, würde ich eine Maschine demonstrieren, die diesen Vorgang aufnimmt und kontinuierlich wiederholt: Die oben abgebildete Wimhurst-Maschine ist ein handbetriebener Hochspannungsgenerator. Auch ein Van-de-Graaff-Generator würde sich für diesen Zweck als ausreichend erweisen. Nach Wiederholung der gleichen Experimente wie in Teil 1) würde ich dann den Generator wie gezeigt an eine teilweise evakuierte Glasröhre mit einer einzigen Metalloberfläche auf der Innenseite anschließen:

Die als Kathode bezeichnete Metallplatte befindet sich auf der Rückseite der Röhre, während der zweite Metallanschluss an einer anderen Stelle (in diesem Fall unten) platziert ist. Das Kreuz in diesem Bild ist elektrisch isoliert. Wenn der Generator angekurbelt wird, gehen Kathodenstrahlen aus und projizieren einen Schatten. Das Vorhandensein des Schattens zeigt deutlich an, dass etwas die Kathode verlässt, sich in geraden Linien bewegt und auf die Wand der Röhre trifft. Dies hilft zu bestätigen, dass während elektrischer Phänomene tatsächlich eine Art elektrisches Material übertragen wird, anstatt von einer „elektrischen Eigenschaft“ durchdrungen zu werden.
Als Bonus lenkt das Platzieren einer elektrisch geladenen Kugel neben der Röhre die Kathodenstrahlen ab und bestätigt ihre elektrische Natur.

3) Millikan-Öltropfenexperiment

Sobald Sie gezeigt haben, dass nur zwei Ladungen existieren und dass eine tatsächliche Substanz für Elektrizität verantwortlich ist, ist der Nagel im Sarg natürlich das Öltropfenexperiment, das 1906 von Harvey Fletcher und Robert Millikan durchgeführt wurde. Ich denke, das Experiment hätte durchgeführt werden können mit früherer Technologie; vielleicht könnten in dieser Gesellschaft die notwendigen Teile geplündert statt hergestellt werden. Hier ist ein Diagramm des Experiments: Dies ist ein statistisches Experiment: Wenn Öltröpfchen in die Kammer eintreten, erhalten sie eine kleine elektrische Nettoladung. Indem Sie die auf die Platten aufgebrachte Ladung variieren, sollten Sie in der Lage sein, die richtige elektrische Anziehungskraft anzuwenden, um den kleinen Öltropfen gegen die Schwerkraft zu schweben. Dadurch können Sie die Aufhängekraft der Platten berechnen. Was Fletcher und Millikan feststellten war, dass die Kraft immer ein ganzzahliges Vielfaches ist . Das weist darauf hin, dass die vorhandene Ladungsmenge diskret ist , was die fluidischen / ätherischen Modelle der Elektrizität nicht berücksichtigen können. Mit etwas mehr Mathematik und einer Berechnung der Masse des Öltröpfchens können Sie die Ladung des Elektrons berechnen. Dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, wenn es Ihnen nur darum geht, die diskrete Natur der elektrischen Ladung zu zeigen.

Ich möchte darauf hinweisen, dass wir dies in der heutigen Elektrotechnik so ziemlich tun . Allerdings nicht mit dem neo-sudditischen Drumherum. Wir denken im Allgemeinen in Volt und Ampere, die vom Plus zum Minus fließen, und niemals in Elektronen* - das ist Physikergebiet. Und warum nicht? Meistens spielen die fummeligen kleinen Details von Elektronen in der Elektronik keine Rolle.

Um die Existenz von Elektronen zu demonstrieren, müssen Sie beweisen, dass sie als Teil Ihres Weltmodells praktisch nützlich sind. Dazu wollen Sie die Chemiker hinzuziehen, die direkter mit Elektronen umgehen. Ein paar Demonstrationsrunden beginnend mit der berühmten Zitronenbatterie sollten ausreichen: Verschiedene Metalle und Elektrolyte werden unterschiedliche Ergebnisse haben, die anhand ihrer Wertigkeit vorhergesagt werden können, und letztendlich eine Autobatterie von Grund auf rekonstruieren.

Wir wollen einen Chemiker, weil wir jemanden brauchen, der qualifiziert ist, vorherzusagen, was passiert, wenn wir die Bedingungen willkürlich verändern. Dies wird dann zur Grundlage unseres Beweises: Wenn Elektronen nicht existieren würden, könnten wir nicht vorhersagen, was mit verschiedenen Substanzen passiert, basierend auf den Eigenschaften ihrer Elektronen (unter anderem). Da wir können, können wir die Nichtexistenz von Elektronen widerlegen.

*Dies wird als „Konventioneller Strom“ bezeichnet. In Wirklichkeit fließen die Elektronen von negativ nach positiv, aber es hat das gleiche Ergebnis, also kümmert es niemanden.

Van-de-Graaff-Generator

Nehmen Sie einen Glasstab und ein Stück Seide oder ein Stück Bernstein und etwas Fell (wohl die bessere postapokalyptische Wahl). Reiben Sie die beiden kräftig für vielleicht 10 oder 20 Sekunden aneinander – ich habe festgestellt, dass 10 oft genug sind. Glückwünsche! Sie haben Gebühren übertragen. Noch wichtiger ist, dass Sie mit dieser Ladung Dinge tun können. Es ist nicht schwer, einen Van-de-Graaff-Tischgenerator herzustellen ( hier ist einer in Aktion ), der einen ähnlichen Mechanismus verwendet, um Ladung auf eine Metallkugel zu übertragen. Wenn Sie eine zweite Metallkugel nehmen und sie nahe genug halten. . . du bekommst einen Funken! Es ist eine ziemlich dramatische Demonstration, selbst im kleinen Maßstab.

^{Ein kleiner Van-de-Graaff-Generator. Bild mit freundlicher Genehmigung des Wikipedia-Benutzers Lefrancq unter der Lizenz Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported .}

Zurück zu Bernstein und Pelz (die übrigens in einem dieser apokryphen Bücher erwähnt werden könnten), ist klar, dass etwas übertragen werden muss, richtig - eine Art Ladung. Hier kommt das Elektron ins Spiel. Definieren Sie ein Elektron einfach als ein Teilchen, das Ladung trägt – oder sagen Sie einfach, dass es ein bisschen Ladung ist. Die kleinen Funken, die Sie erzeugen können, sollten die Menschen davon überzeugen, dass es tatsächlich ein solches Objekt gibt.

Helmholtz-Spulen

Eine andere Möglichkeit, die mir noch besser gefällt, ist die Verwendung von Helmholtz-Spulen . Helmholtz-Spulen sind Paare kreisförmiger Drahtbündel, wobei jedes Bündel eine große Anzahl von Schleifen aufweist, die durch einen Abstand in der Größenordnung des Durchmessers der Drähte voneinander getrennt sind. Wenn ein Strom durch die Drähte geleitet wird, entsteht zwischen den Spulen ein einfaches Magnetfeld, das in der Mitte zwischen den beiden gleichmäßig ist. Wenn Sie eine Kammer mit der richtigen Art von Gas füllen - ich habe Helium verwendet - und einen Weg finden, Elektronen im richtigen Winkel in die Kammer auszustoßen, indem Sie die Kammer in die Spulen platzieren, folgen die Elektronen einer kreisförmigen Bahn, kollidieren und Heliumatome anregen und zum Leuchten bringen. Es ist ziemlich dramatisch.

Das einzige Problem ist natürlich, dass Helmholtz-Spulen mit Strom betrieben werden, den Sie eindeutig nicht haben. Wenn Sie also entweder die Spulen irgendwie von Hand mit Strom versorgen können (unwahrscheinlich) oder ein gleichmäßiges Magnetfeld aus einem oder mehreren Permanentmagneten erzeugen, kann dies funktionieren - und es wird die Zweifler wahrscheinlich noch mehr überzeugen, da sie den Weg des sehen können Elektronen.

So sieht der Apparat von der Seite aus:

^{Bild aus meinem Laborhandbuch an meiner Hochschule. Bildnachweis Adam Light.}

Es wurde argumentiert, dass diese Experimente lediglich zeigen, dass es eine elektrisch geladene Substanz oder Flüssigkeit gibt. Es ist nicht schwer, ein Argument dafür zu konstruieren, dass es einige kleine Komponenten dieser Flüssigkeit geben muss - schließlich können Sie dasselbe Argument für Atome über die Brownsche Bewegung unter Verwendung von nichts anderem als einem Minimalmikroskop vorbringen. Wenn normale Flüssigkeiten aus kleinen Partikeln bestehen, warum sollte diese "elektrische Flüssigkeit" das nicht tun?

Es ist einfach zu zeigen, dass es eine Kraft gibt, die für nützliche Arbeit genutzt werden kann. Sie brauchen nur einen Standard-Dynamo mit einer Kurbel, einem Elektromotor und einigen Kabeln, um sie anzuschließen. Selbst wenn Sie keine Batterien zum Speichern von Strom haben, können Sie mit diesem Rig demonstrieren, dass die Antriebskraft in irgendeiner Form übertragen wird, die eindeutig nicht mechanisch ist (die Verkabelung bewegt sich nicht und wäre nicht groß oder stark genug, um sie zu tragen). so viel Kraft, selbst wenn es so wäre).

Das beweist keine der anderen Eigenschaften des Elektrons oder dass es das war, worauf die Alten ihre Technologie gründeten, aber es ist ein klarer Beweis dafür, dass etwas passiert.

Batterien!

Batterien waren die erste zuverlässige Stromquelle und stammen möglicherweise aus der Antike . Sie können mit etwas Mühe einen Plattenstapel erzeugen, um eine beträchtliche Spannung zu erzeugen, die für einen Lichtbogen ausreicht. Der Nachweis der Elektrizität ergibt sich einfach aus der Verwendung von Kabeln, um Ihre Ladung dorthin zu leiten, wo Sie möchten.

Schwieriger ist der Nachweis des Elektrons . Historisch gesehen wurde Elektrizität von einigen als Flüssigkeit angesehen. Wie oben erwähnt, ist die Chemie ein guter Weg, um zu zeigen, dass etwas Ganzheitliches vor sich geht, da Reaktionen in stöchiometrischen Anteilen ablaufen. Auch hier war das Millikan-Öltropfen-Experiment die erste eindeutige Demonstration der quantisierten Natur der Ladung.

Thomsons Experimente stellten die Identität von Elektronen fest:

Er fand heraus, dass das Masse-zu-Ladung-Verhältnis über tausendmal niedriger war als das eines Wasserstoffions (H+), was darauf hindeutet, dass die Teilchen entweder sehr leicht und/oder sehr hoch geladen waren. Bezeichnenderweise ergaben die Strahlen von jeder Kathode das gleiche Masse-zu-Ladung-Verhältnis. Dies steht im Gegensatz zu Anodenstrahlen (von denen jetzt bekannt ist, dass sie aus positiven Ionen entstehen, die von der Anode emittiert werden), bei denen das Masse-Ladungs-Verhältnis von Anode zu Anode variiert.

Die Existenz von Kathoden- und Anodenstrahlen zusammen mit der Materialunabhängigkeit von Kathodenstrahlen beweist, dass alle verwendeten Materialien einige Ladungsträger gemeinsam haben.

https://en.wikipedia.org/wiki/J._J._Thomson#Measurement_of_mass-to-charge_ratio

Um das für Kathodenstrahlen benötigte Hochvakuum aufzubauen, benötigen Sie einige Glaswaren und Quecksilber.

https://en.wikipedia.org/wiki/Sprengel_pump

https://en.wikipedia.org/wiki/McLeod_gauge

Um das Gerät mit Strom zu versorgen, benötigen wir eine zuverlässige Stromversorgung, wobei die wichtigsten Optionen Elektrolysezellen und der Generator Ihrer Wahl sind.

Bisher brauchen wir:

• viel Kupfer zu Drähten gezogen;

• Glasbläserei (die Herstellung von eng gebohrtem Kapillarglas kann eine Herausforderung sein);

• metallisches Quecksilber; und

• eine elektrische Stromquelle, höchstwahrscheinlich eine der folgenden:

  • Metalle und konzentrierte Säuren für die Batteriechemie bzw

  • Magnete, Rahmen und Lager für einen Dynamo.

Was, Sie wollen auch Präzisionsmessungen? Natürlich tust du. Der Einfachheit halber weise ich nur darauf hin, dass es möglich, wenn auch nicht üblich ist, sich mit Präzisionsoberflächen auf den Weg zu machen.

https://en.wikipedia.org/wiki/Surface_plate#History

Bisher waren die von uns benötigten Außenmaterialien im Mittelalter mehr oder weniger bekannt. Wir sollten auch Schleifmittel bestellen - vielleicht haben wir Glück und können minderwertigen Saphir bekommen. Modernere Stahlherstellungsverfahren wären auch schön, und wir könnten am Ende nach raffiniertem Platin oder Wolfram als Teil von Werkzeugen und unseren Vakuumröhren fragen.

Als Alternative zur Isolierung von Elektronen selbst könnten wir uns auf Rohhalbleiter konzentrieren. Mit Draht, Galenit und einem sehr feinen Leiter (wir brauchen hier wahrscheinlich hochwertigen Stahl) können wir mit der Arbeit an HF-Experimenten, AM und einem Detektor beginnen.

Ich bin mir nicht sicher, wo ich das hinstellen soll, aber mit einem Gleichrichter können wir die Thomson-Experimente sicherer zum Laufen bringen, da jedes Generatordesign als Gleichstromquelle verwendbar wäre. Es ist so gut wie erledigt, wenn man beispielsweise Cadmium und Selen isolieren kann. https://en.wikipedia.org/wiki/Metal_rectifier

Übrigens müssten Sie sehr wahrscheinlich alle elektrischen Artefakte und wenn nicht das gesamte menschliche Gedächtnis entfernen, um das Bewusstsein für Elektronen als reale Einheiten zu „verlieren“.