Procedimento de experimento de Millikan, explicação, importância

Ele Experiência de Millikan, Realizado por Robert Millikan (1868-1953) com seu aluno Harvey Fletcher (1884-1981), começou em 1906 e pretendia estudar as propriedades da carga elétrica, analisando o movimento de milhares de petróleo no meio de um uniforme uniforme campo.

A conclusão foi que a carga elétrica não tinha um valor arbitrário, mas que veio em múltiplos de 1.6 x 10^-19 C, que é a carga fundamental do elétron. Além disso, a massa eletrônica foi encontrada.

figura 1. À esquerda, o dispositivo original usado por Millikan e Fletcher em seu experimento. À direita um esquema simplificado do mesmo. Fonte: Wikimedia Commons/F. Zapata,

Anteriormente o J Físico.J. Thompson havia encontrado experimentalmente a relação de carga-condução dessa partícula elementar, que ele chamou de "corpuscle", mas não os valores de cada magnitude separadamente.

A partir dessa relação de carga e carga de massa e a carga de elétrons, o valor de sua massa foi determinado: 9.11 x 10^-31 Kg.

Para alcançar seu objetivo, Millikan e Fletcher serviram um atomizador com o qual uma nevoa fina de gotas de óleo foi pulverizada. Algumas das gotas foram carregadas eletricamente graças ao atrito no pulverizador.

As gotas carregadas estavam lentamente se estabelecendo em eletrodos de placa plana paralela, onde alguns passaram por um pequeno orifício na placa superior, como mostrado no esquema da Figura 1.

Placas paralelas dentro, é possível criar um campo elétrico uniforme e perpendicular às placas, cuja magnitude e polaridade foram controladas modificando a tensão.

O comportamento das gotas foi observado iluminando o interior das placas com uma luz brilhante.

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Explicação do experimento

Se a queda tiver uma carga, o campo criado entre as placas exerce uma força nela que neutraliza a gravidade.

E se também conseguir ser suspenso, significa que o campo exerce uma força vertical, o que exatamente se equilibra à gravidade. Esta condição dependerá do valor de q, a carga da gota.

De fato, Millikan observou que, depois de ligar o campo, algumas gotas foram suspensas, outras começaram a escalar ou continuaram descendo.

Ajustar o valor do campo elétrico -através da resistência da variável, por exemplo -uma queda, pode -se permitir que permaneça suspenso dentro das placas. Embora na prática não seja fácil de alcançar, caso aconteça, apenas a força exercida pelo campo e a gravidade age na gota.

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Se a massa da queda for m E sua carga é q, Saber que a força é proporcional ao campo aplicado de magnitude E, A segunda lei de Newton estabelece que ambas as forças devem ser equilibradas:

mg = q.E

Q = mg/e

O valor de g, A aceleração da gravidade é conhecida, bem como a magnitude E do campo, que depende da tensão V estabelecido entre as placas e a separação entre estes eu, como:

E = V/L

A questão era encontrar a massa da pequena gota de óleo. Depois que isso for alcançado, determine a carga q É perfeitamente possível. Naturalmente isso m e q Eles são respectivamente a massa e a carga da gota de óleo, não as do elétron.

Mas ... a queda é carregada porque perde ou ganha elétrons, portanto seu valor está relacionado à carga da referida partícula.

A massa da queda de óleo

O problema de Millikan e Fletcher era determinar a massa de uma gota, uma tarefa que não é fácil devido ao pequeno tamanho.

Conhecendo a densidade do óleo, se você tiver o volume de volume, a massa pode ser limpa. Mas o volume também era muito pequeno, então os métodos convencionais não foram úteis.

No entanto, os pesquisadores sabiam que esses objetos pequenos não caem livremente, uma vez que a resistência do ar ou do meio ambiente intervém diminuindo seu movimento. Embora a partícula quando liberada com o campo OFF experimente um movimento vertical acelerado e descendo, acaba caindo com velocidade constante.

Nesta velocidade, é chamado de "velocidade do terminal" ou "velocidade limite", que no caso de uma esfera, depende de seu raio e viscosidade do ar.

Na ausência de campo, Millikan e Fletcher mediram o tempo que as quedas tomaram para cair. Supondo que as gotas fossem esféricas e com o valor da viscosidade do ar, elas foram fixadas para determinar o raio indiretamente a partir da velocidade terminal.

Essa velocidade está aplicando a lei de Stokes e aqui está sua equação:

 Onde:

-v_t é a velocidade do terminal

-R É o raio da gota (esférico)

-η É a viscosidade do ar

-ρ É a densidade da gota

Importância

O experimento de Millikan foi crucial, porque mostrou vários aspectos importantes na física:

I) A carga elementar é a do elétron, cujo valor é 1.6 x 10 ^-19 C, uma das constantes fundamentais da ciência.

Ii) Qualquer outra carga elétrica vem em múltiplos da carga fundamental.

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Iii) Conhecendo a carga do elétron e a proporção de carga-masa de j.J. Thomson, foi possível determinar a massa de elétrons.

Iii) Em partículas tão pequenas quanto partículas elementares, os efeitos gravitacionais são insignificantes contra a eletrostática.

Figura 2. Millikan em primeiro plano à direita, ao lado de Albert Einstein e outros físicos notáveis. Fonte: Wikimedia Commons.

Millikan recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1923 por essas descobertas. Seu experimento também é relevante porque ele determinou essas propriedades fundamentais da carga elétrica, com base em instrumentação simples e aplicação de leis bem conhecidas a todos.

No entanto, Millikan foi criticado por ter descartado muitas observações em seu experimento, sem motivo aparente, para reduzir o erro estatístico dos resultados e que eles eram mais "apresentáveis".

Gotas com variedade de cargas

Millikan mediu muitas gotas em seu experimento e nem todos eram petróleo. Ele também testou com mercúrio e glicerina. Como afirmado, o experimento começou em 1906 e se estendeu por alguns anos. Três anos depois, em 1909, os primeiros resultados foram publicados.

Durante esse período, ele obteve uma variedade de cargas carregadas influenciando os raios X através das placas, para ionizar o ar entre eles. Dessa maneira, são liberadas partículas carregadas que gotas podem aceitar.

Além disso, não se concentrou apenas em quedas suspensas. Millikan observou que, quando as quedas totalizaram, a velocidade de aumento também variava de acordo com a carga fornecida.

E se a queda descer, essa carga adicional adicional graças à intervenção dos raios X, a velocidade não variou, porque qualquer massa de elétrons adicionada à queda é minúscula, em comparação com a massa da queda em si mesma.

Independentemente de quanta carga ele acrescentou, Millikan descobriu que todas as quedas adquiriam múltiplos inteiros de um determinado valor, que é e, A unidade fundamental, como dissemos é a carga de elétrons.

Millikan obteve inicialmente 1.592 x 10^-19 C para este valor, ligeiramente menor do que o atualmente aceito, que é 1.602 x 10^-19 C. O motivo pode ter sido o valor que deu à viscosidade do ar na equação para determinar a velocidade terminal da queda.

Exemplo

Levitando uma gota de óleo

Vemos o seguinte exemplo. Uma gota de óleo tem densidade ρ = 927 kg/m³ e é liberado no meio dos eletrodos com o campo elétrico desligado. A gota atinge rapidamente a velocidade do terminal, pela qual o raio é determinado, cujo valor acaba sendo r = 4,37 x10^-7 m.

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O campo uniforme está ligado, é direcionado verticalmente para cima e tem 9,66 kN/c magnitude . Dessa forma, é alcançado que a queda está suspensa em repouso.

É solicitado:

a) Calcule a carga de queda

b) Descubra quantas vezes a carga elementar está contida na carga de queda.

c) determinar se possível, o sinal da carga.

Figura 3. Uma gota de óleo no meio de um campo elétrico constante. Fonte: Fundamentos da Física. Rex-Wolfson.

Solução para

Anteriormente, a seguinte expressão era deduzida para uma queda de repouso:

Q = mg/e

Conhecendo a densidade e o raio da gota, a massa disso é determinada:

ρ = m /v

V = (4/3) πr³

Portanto:

m = ρ.V = ρ. (4/3) πr³= 927 kg/m³. (4/3) π.(4.37 x10^-7 m)³= 3.24 x 10^-16 kg

Portanto, a carga da queda é:

Q = mg/e = 3.24 x 10^-16 kg x 9.8 m/s²/9660 n = 3.3 x 10^-19 C

Solução b

Saber que a carga fundamental é e = 1.6 x 10 ^-19 C, a carga obtida na seção anterior é dividida por este valor:

n = Q/E = 3.3 x 10^-19 C/1.6 x 10 ^-19 C = 2.05

O resultado é que a carga da queda é aproximadamente o dobro (n≈2) da carga elementar. Não é exatamente o dobro, mas essa leve discrepância é devido à presença inevitável do erro experimental, bem como ao arredondamento em cada um dos cálculos anteriores.

Solução c

Sim, é possível determinar o sinal da carga, graças ao fato de que a declaração fornece informações sobre a direção do campo, que é direcionada verticalmente para cima, assim como a força.

As linhas de campo elétricas sempre começam com cargas positivas e terminam em cargas negativas; portanto, a placa inferior é carregada com sinal + e a acima com um sinal - (veja a Figura 3).

Como a queda é direcionada para a placa acima acionada pelo campo e, como as cargas de sinal opostas são atraídas, a queda deve ter uma carga positiva.

Na verdade, manter a queda suspensa não é fácil de obter. Então Millikan usou os deslocamentos verticais (UPS.

Essa carga adquirida é proporcional à carga de elétrons, como já vimos, e pode ser calculada com os tempos de ascensão e descida, a massa da queda e os valores de g e E.

Referências

1. Mente aberta. Millikan, o físico que veio ver o elétron. Recuperado de: bbvaopenmind.com
2. Rex, a. 2011. Fundamentos da Física. Pearson.
3. Tiptens, p. 2011. Física: conceitos e aplicações. 7ª edição. McGraw Hill.
4. Amrit.  Experiência de queda de petróleo de Millikan. Recuperado de: vlab.Amrit.Edu
5. Wake Forest College. Experiência de queda de petróleo de Millikan. Recuperado de: wfu.Edu