Procédure d'expérience Millikan, explication, importance

Il Expérience Millikan, Réalisée par Robert Millikan (1868-1953) avec son étudiant Harvey Fletcher (1884-1981), a commencé en 1906 et visait à étudier les propriétés de la charge électrique, analysant le mouvement de milliers de gouttes d'huile au milieu d'un uniforme électrique uniforme champ.

La conclusion était que la charge électrique n'avait pas de valeur arbitraire, mais qu'elle est venue en multiples de 1.6 x 10^-19 C, qui est la charge fondamentale de l'électron. De plus, la masse électronique a été trouvée.

Figure 1. À gauche, le dispositif d'origine utilisé par Millikan et Fletcher dans leur expérience. À droite un schéma simplifié de la même. Source: Wikimedia Commons / F. Zapata,

Auparavant le j physique.J. Thompson avait trouvé expérimentalement la relation de charge de la charge de cette particule élémentaire, qu'il a appelée "corpuscule", mais pas les valeurs de chaque ampleur séparément.

De cette charge - relation de masse et charge d'électrons, la valeur de sa masse a été déterminée: 9.11 x 10^-31 Kg.

Pour atteindre leur objectif, Millikan et Fletcher ont servi un atomiseur avec lequel un brouillard fin de gouttes d'huile a été pulvérisé. Certaines gouttes ont été chargées électriquement grâce à la friction dans le pulvérisateur.

Les gouttes chargées se détendaient lentement sur des électrodes de plaque plate parallèle, où quelques-unes passaient à travers un petit trou dans la plaque supérieure, comme indiqué dans le schéma de la figure 1.

À l'intérieur des plaques parallèles, il est possible de créer un champ électrique uniforme et perpendiculaire aux plaques, dont l'ampleur et la polarité ont été contrôlées en modifiant la tension.

Le comportement des gouttes a été observé en illuminant l'intérieur des plaques avec une lumière vive.

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Explication de l'expérience

Si la goutte a une charge, le champ créé entre les plaques exerce une force sur elle qui contrecarre la gravité.

Et s'il parvient également à être suspendu, cela signifie que le champ exerce une force verticale, ce qui équilibre exactement la gravité. Cette condition dépendra de la valeur de q, la charge de la goutte.

En effet, Millikan a observé qu'après avoir tourné sur le terrain, certaines gouttes ont été suspendues, d'autres ont commencé à grimper ou à descendant.

L'ajustement de la valeur du champ électrique-résistance variable, par exemple - une goutte peut rester en suspension dans les plaques. Bien que dans la pratique, ce n'est pas facile à réaliser, dans le cas où cela se produirait, seule la force exercée par le terrain et la gravité agit sur la goutte.

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Si la masse de la goutte est m Et sa charge est q, Savoir que la force est proportionnelle au champ de grandeur appliqué ET, La deuxième loi de Newton établit que les deux forces doivent être équilibrées:

mg = q.ET

Q = mg / e

La valeur de g, L'accélération de la gravité est connue, ainsi que l'ampleur ET du champ, qui dépend de la tension V établi entre les plaques et la séparation entre ces L, comme:

E = v / l

La question était de trouver la masse de la petite goutte d'huile. Une fois cela réalisé, déterminez la charge q C'est parfaitement possible. Naturellement que m et q Ce sont respectivement la masse et la charge de la goutte d'huile, pas celles de l'électron.

Mais ... la goutte est chargée car elle perd ou gagne des électrons, donc sa valeur est liée à la charge de ladite particule.

La masse de la chute d'huile

Le problème de Millikan et Fletcher était de déterminer la masse d'une goutte, une tâche qui n'est pas facile en raison de la petite taille de celui-ci.

Connaissant la densité de l'huile, si vous avez le volume de volume, la pâte peut être dégagée. Mais le volume était également très faible, donc les méthodes conventionnelles n'étaient pas utiles.

Cependant, les chercheurs savaient que ces petits objets ne tombent pas librement, car la résistance de l'air ou de l'environnement, intervient en ralentissant leur mouvement. Bien que la particule lorsqu'elle est libérée avec le champ hors champ, un mouvement vertical accéléré et vers le bas, il finit par tomber à une vitesse constante.

À cette vitesse, il est appelé "vitesse terminale" ou "vitesse limite", qui dans le cas d'une sphère, dépend de son rayon et de sa viscosité de l'air.

En l'absence de champ, Millikan et Fletcher ont mesuré le temps que les gouttes ont pris pour tomber. En supposant que les gouttes étaient sphériques et avec la valeur de la viscosité de l'air, ils ont été fixés pour déterminer le rayon indirectement à partir de la vitesse terminale.

Cette vitesse applique la loi de Stokes et voici son équation:

 Où:

-V_t est la vitesse terminale

-R C'est le rayon de la goutte (sphérique)

-η C'est la viscosité de l'air

-ρ C'est la densité de la goutte

Importance

L'expérience de Millikan a été cruciale, car elle a montré plusieurs aspects clés en physique:

I) La charge élémentaire est celle de l'électron, dont la valeur est 1.6 x 10 ^-19 C, l'une des constantes fondamentales de la science.

Ii) Toute autre charge électrique est disponible en multiples de la charge fondamentale.

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Iii) Connaître la charge de l'électron et le rapport charge-masa de J.J. Thomson, il a été possible de déterminer la masse électronique.

Iii) Aux particules aussi petites que les particules élémentaires, les effets gravitationnels sont négligeables contre électrostatiques.

Figure 2. Millikan au premier plan à droite, à côté d'Albert Einstein et d'autres physiciens notables. Source: Wikimedia Commons.

Millikan a reçu le prix Nobel de physique en 1923 pour ces découvertes. Son expérience est également pertinente car il a déterminé ces propriétés fondamentales de la charge électrique, sur la base de l'instrumentation simple et de l'application de lois bien connues à tous.

Cependant, Millikan a été critiqué pour avoir exclu de nombreuses observations dans son expérience, sans raison apparente, afin de réduire l'erreur statistique des résultats et qu'ils étaient plus "présentables".

Gouttes avec une variété de charges

Millikan a mesuré de nombreuses gouttes dans son expérience et tous n'étaient pas du pétrole. Il a également testé avec du mercure et de la glycérine. Comme indiqué, l'expérience a commencé en 1906 et s'est étendue pendant quelques années. Trois ans plus tard, en 1909, les premiers résultats ont été publiés.

Pendant ce temps, il a obtenu une variété de charges chargées en influençant les rayons X à travers les plaques, pour ioniser l'air entre eux. De cette façon, des particules chargées sont libérées que les gouttes peuvent accepter.

De plus, il ne s'est pas concentré uniquement sur les gouttes en suspension. Millikan a observé que lorsque les baisses étaient entièrement stimulantes, la vitesse de montée variait également en fonction de la charge fournie.

Et si la goutte descend, cette charge supplémentaire supplémentaire grâce à l'intervention des rayons x, la vitesse n'a pas varié, car toute masse d'électrons ajoutée à la goutte est en minuscules, par rapport à la masse de la goutte elle-même.

Quelle que soit la charge qu'il a ajoutée, Millikan a constaté que toutes les gouttes ont acquis des multiples entiers d'une certaine valeur, qui est et, L'unité fondamentale, comme nous l'avons dit, est la charge d'électrons.

Millikan a initialement obtenu 1.592 x 10^-19 C pour cette valeur, légèrement inférieure à celle actuellement acceptée, qui est 1.602 x 10^-19 C. La raison a peut-être été la valeur qu'elle a accordée à la viscosité de l'air dans l'équation pour déterminer la vitesse terminale de la goutte.

Exemple

Lévitation d'une goutte d'huile

Nous voyons l'exemple suivant. Une gouttelette d'huile a une densité ρ = 927 kg / m³ et est libéré au milieu des électrodes avec le champ électrique éteint. La gouttelette atteint rapidement la vitesse du terminal, par laquelle le rayon est déterminé, dont la valeur se révèle r = 4,37 x10^-7 m.

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Le champ uniforme est activé, est dirigé verticalement et a une magnitude de 9,66 kN / c . De cette façon, il est accompli que la goutte soit suspendue au repos.

On demande:

a) Calculez la charge de goutte

b) Trouvez combien de fois la charge élémentaire est contenue dans la charge de chute.

c) Déterminer si possible, le signe de la charge.

figure 3. Une gouttelette d'huile au milieu d'un champ électrique constant. Source: Fondamentaux de la physique. Rex-Wolfson.

Solution à

Auparavant, l'expression suivante a été déduite pour une goutte de repos:

Q = mg / e

Connaissant la densité et le rayon de la goutte, la masse de ceci est déterminée:

ρ = m / v

V = (4/3) πr³

Donc:

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

Par conséquent, la charge de la goutte est:

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

Solution B

Sachant que le fardeau fondamental est e = 1.6 x 10 ^-19 C, la charge obtenue dans la section précédente est divisée par cette valeur:

n = q / e = 3.3 x 10^-19 C /1.6 x 10 ^-19 C = 2.05

Le résultat est que la charge de la goutte est d'environ double (n≈2) de la charge élémentaire. Il n'est pas exactement double, mais cette légère divergence est due à la présence inévitable de l'erreur expérimentale, ainsi qu'à l'arrondi dans chacun des calculs précédents.

Solution C

Oui, il est possible de déterminer le signe de la charge, grâce au fait que la déclaration donne des informations sur la direction du champ, qui est dirigée verticalement vers le haut, tout comme la force.

Les lignes de champ électrique commencent toujours à partir de charges positives et se terminent par des charges négatives, donc la plaque inférieure est chargée de signe + et celle ci-dessus avec un signe - (voir figure 3).

Étant donné que la goutte est dirigée vers la plaque ci-dessus entraînée par le terrain et que les charges de signe opposées sont attirées, la goutte doit avoir une charge positive.

En fait, garder la goutte en suspension n'est pas facile à obtenir. Millikan a donc utilisé les déplacements verticaux (UPS.

Cette charge acquise est proportionnelle à la charge d'électrons, comme nous l'avons déjà vu, et peut être calculée avec les temps de montée et de descente, la masse de la goutte et les valeurs de g et ET.

Les références

1. Esprit ouvert. Millikan, le physicien qui est venu voir l'électron. Récupéré de: bbvaopenmind.com
2. Rex, un. 2011. Fondamentaux de la physique. Pearson.
3. Tippens, P. 2011. Physique: concepts et applications. 7e édition. McGraw Hill.
4. Amrit.  Expérience de chute d'huile de Millikan. Récupéré de: vlab.Amrit.Édu
5. Wake Forest College. Expérience de chute d'huile de Millikan. Récupéré de: WFU.Édu