Experiência de Millikan: procedimento, explicação, importância - Ciência - 2023

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Experiência de Millikan: procedimento, explicação, importância - Ciência
Experiência de Millikan: procedimento, explicação, importância - Ciência

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o experimento millikan, realizado por Robert Millikan (1868-1953) em conjunto com seu aluno Harvey Fletcher (1884-1981), teve início em 1906 e teve como objetivo estudar as propriedades da carga elétrica, analisando o movimento de milhares de gotas de óleo entre de um campo elétrico uniforme.

A conclusão foi que a carga elétrica não teve um valor arbitrário, mas veio em múltiplos de 1,6 x 10-19 C, que é a carga fundamental do elétron. Além disso, a massa do elétron foi encontrada.

Anteriormente físico J.J. Thompson havia encontrado experimentalmente a relação carga-massa dessa partícula elementar, que ele chamou de "corpúsculo", mas não os valores de cada magnitude separadamente.

A partir dessa relação carga - massa e da carga do elétron, o valor de sua massa foi determinado: 9,11 x 10-31 Kg.


Para atingir seu objetivo, Millikan e Fletcher usaram um borrifador que borrifou uma fina névoa de gotas de óleo. Algumas das gotas foram carregadas eletricamente por fricção no pulverizador.

As gotas carregadas foram lentamente assentando nos eletrodos de placa plana paralela, onde algumas passaram por um pequeno orifício na placa superior, conforme mostrado no diagrama da figura 1.

No interior das placas paralelas é possível criar um campo elétrico uniforme perpendicular às placas, cuja magnitude e polaridade eram controladas pela modificação da voltagem.

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

Explicação do experimento

Se a gota tiver carga, o campo criado entre as placas exerce uma força sobre ela que neutraliza a gravidade.

E se também consegue ficar suspenso, significa que o campo exerce uma força vertical ascendente, que equilibra exatamente a gravidade. Essa condição vai depender do valor de o que, o peso da queda.


De fato, Millikan observou que depois de virar no campo, algumas gotas foram suspensas, outras começaram a subir ou continuaram a descer.

Ajustando o valor do campo elétrico - por meio de uma resistência variável, por exemplo - era possível fazer uma gota ficar suspensa dentro das placas. Embora na prática não seja fácil de conseguir, se isso acontecer, apenas a força exercida pelo campo e a gravidade atuam na queda.

Se a massa da queda for m e sua carga é o que, sabendo que a força é proporcional ao campo de magnitude aplicado E, A segunda lei de Newton afirma 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 lacuna entre elas eu, Como:

E = V / L

A questão era encontrar a massa da minúscula gota de óleo. Depois de fazer isso, determine a carga o que é perfeitamente possível. Naturalmente isso m Y o que eles são respectivamente a massa e a carga da gota de óleo, não as do elétron.


Mas ... a gota carrega porque perde ou ganha elétrons, então seu valor está relacionado com a carga da dita partícula.

A massa da gota de óleo

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

Sabendo a densidade do óleo, se você tiver o volume da gota, a massa pode ser resolvida. Mas o volume também era muito pequeno, de modo que os métodos convencionais eram inúteis.

No entanto, os pesquisadores sabiam que esses pequenos objetos não caem livremente, pois a resistência do ar ou do ambiente interfere retardando seu movimento. Embora a partícula, ao ser liberada com o campo desligado, experimente um movimento vertical acelerado e para baixo, acaba caindo com velocidade constante.

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


Na ausência de um campo, Millikan e Fletcher mediram o tempo que levou para as gotas caírem. Partindo do princípio de que as gotas eram esféricas e com o valor da viscosidade do ar, eles conseguiram determinar o raio indiretamente a partir da velocidade terminal.

Esta velocidade é encontrada aplicando a lei de Stokes e aqui está sua equação:

–vt é a velocidade 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, pois revelou vários aspectos-chave da 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.

III) Conhecer a carga do elétron e a relação carga-massa de J.J. Thomson, foi possível determinar a massa do elétron.

III) No nível de partículas tão pequenas quanto partículas elementares, os efeitos gravitacionais são desprezíveis em comparação com os eletrostáticos.

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, a partir de uma instrumentação simples e aplicando leis bem conhecidas de todos.

Porém, Millikan foi criticado por ter descartado muitas observações em seu experimento, sem razão aparente, para diminuir o erro estatístico dos resultados e torná-los mais "apresentáveis".


Quedas com várias cargas

Millikan mediu muitas, muitas gotas em seu experimento e nem todas eram óleo. Ele também experimentou mercúrio e glicerina. Conforme declarado, o experimento começou em 1906 e durou alguns anos. Três anos depois, em 1909, os primeiros resultados foram publicados.

Durante esse tempo, ele obteve uma variedade de gotas carregadas por meio de raios X através das placas, para ionizar o ar entre elas. Desta forma, partículas carregadas são liberadas que as gotas podem aceitar.

Além disso, ele não se concentrou apenas nas gotas suspensas. Millikan observou que quando as quedas aumentavam, a taxa de aumento também variava de acordo com a carga entregue.

E se a gota desceu, essa carga extra adicionada graças à intervenção dos raios X, não alterou a velocidade, porque qualquer massa de elétrons adicionada à gota é minúscula, se comparada à massa da própria gota.

Independentemente de quanta carga ele adicionou, Millikan descobriu que todas as gotas adquiriram cargas inteiras de múltiplos de um certo valor, que é e, a unidade fundamental, que como dissemos é a carga do elétron.

Millikan marcou inicialmente 1.592 x 10-19 C para este valor, um pouco menor do que o aceito atualmente, que é 1602 x 10-19 C. O motivo pode ter sido o valor que você deu à viscosidade do ar na equação para determinar a velocidade terminal da gota.

Exemplo

Levitando uma gota de óleo

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

O campo uniforme é ativado, é direcionado verticalmente para cima e tem magnitude 9,66 kN / C. Desta forma, consegue-se que a gota permaneça suspensa em repouso.

Ele pergunta:

a) Calcule a carga da gota

b) Descubra quantas vezes a carga elementar está contida na carga da gota.

c) Determine se possível, o sinal da carga.

Solução para

Anteriormente, a seguinte expressão era derivada para uma queda em repouso:

q = mg / E

Sabendo a densidade e o raio da gota, a massa da gota 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 x 10-7 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, divida a carga obtida na seção anterior 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 gota é aproximadamente o dobro (n≈2) da carga elementar. Não é exatamente duplo, mas esta ligeira discrepância deve-se à presença inevitável de erros experimentais, bem como de arredondamento em cada um dos cálculos anteriores.

Solução c

É possível determinar o sinal da carga, graças ao fato de que o enunciado dá informações sobre a direção do campo, que é direcionado verticalmente para cima, assim como a força.

As linhas de campo elétrico sempre começam com cargas positivas e terminam com cargas negativas, portanto a placa inferior é carregada com um sinal + e a superior com um sinal - (veja a figura 3).

Como a gota é direcionada para a placa acima, impulsionada pelo campo, e como cargas de sinal oposto se atraem, a gota deve ter carga positiva.

Na realidade, manter a queda suspensa não é fácil de conseguir. Assim, Millikan usou os deslocamentos verticais (altos e baixos) que a queda experimentou ao desligar e ligar o campo, além das mudanças na carga de raios-X e tempos de viagem, para estimar quanta carga extra a queda havia adquirido.

Essa carga adquirida é proporcional à carga do elétron, como já vimos, e pode ser calculada com os tempos de subida e queda, a massa da gota e os valores de g Y E.

Referências

  1. Mente aberta. Millikan, o físico que veio ver o elétron. Recuperado de: bbvaopenmind.com
  2. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson.
  3. Tippens, P. 2011. Physics: Concepts and Applications. 7ª Edição. McGraw Hill.
  4. Amrita. Experiência de gota de óleo de Millikan. Obtido em: vlab.amrita.edu
  5. Wake Forest College. Experiência de gota de óleo de Millikan. Recuperado de: wfu.edu