El experimento de Millikan de la gota de aceite.
Hecho por: Sami Florescu Chouirdi 2ºBACH A
ÍNDICE
Procedimiento experimental
Relevancia científica
Método
Leyes aplicadas
Conclusión
Bibliografía
RELEVANCIA CIENTÍFICA
En el año 1909 Robert Millikan y Harvey Fletcher diseñaron y realizaron el primer experimento para medir la carga del electrón. Hasta entonces los electrones sólo habían podido ser observados en forma de rayos catódicos, pero con ellos sólo se podía determinar la relación entre su carga y su masa. Con este experimento, Millikan Y Fletcher lograron medir el valor de la carga y, por tanto, también el de la masa. Para ello supusieron (por aquel entonces no estaba verificado) que la carga del electrón era la fundamental y, en consecuencia, la carga de cualquier cuerpo sería un múltiplo de dicha cantidad.
Millikan encontró que, si permitía a los rayos X pasar a través del aparato mientras observaba la gota, la carga de esta podía aumentar o disminuir, y la velocidad de subida también variaba en función de esa carga extra. Al caer la velocidad no variaba pues la masa de los electrones añadidos es despreciable comparada con la masa total de la gota.
Millikan y otros observadores que repitieron sus experiencias y encontraron que la carga de la gota nunca era menor que un valor mínimo (1,6· 10 –19 C) y siempre obtenían algún valor múltiplo entero de dicho valor, es decir, la carga está cuantizada. Nota: En el experimento original, Robert Millikan y Harvey Fletcher obtuvieron un valor ligeramente menor al conocido actualmente para la carga del electrón.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
El aparato de Robert Millikan incorpora un par de placas metálicas paralelas horizontales. Al aplicar una diferencia de potencial entre las placas, se crea un campo eléctrico uniforme en el espacio entre ellas. Se utilizó un anillo de material aislante para mantener las placas separadas. Cuatro agujeros se cortaron en el anillo, tres para la iluminación con una luz brillante, y otro para permitir la visualización a través de un microscopio.
Una fina niebla de gotas de aceite se roció a una cámara por encima de las placas. El aceite era de un tipo utilizado normalmente en aparatos de vacío y fue elegido porque tenía una presión de vapor extremadamente baja. El aceite ordinario se evaporaría bajo el calor de la fuente de luz causando que la masa de la gota de aceite cambiara durante el transcurso del experimento. Algunas gotas de aceite se cargaban eléctricamente a través de la fricción con la boquilla cuando fueron rociadas, mientras otras se descargaban hasta hacerse cationes y otras se volvían neutras. Como alternativa, la carga podría llevarse a cabo mediante la inclusión de una fuente de radiación ionizante (como un tubo de rayos X).
MÉTODO
Inicialmente, las gotas de aceite se dejan caer entre las placas con el campo eléctrico apagado. Muy rápidamente alcanzan la velocidad terminal debido a la fricción con el aire en la cámara. Se enciende entonces el campo y, si es lo suficientemente grande, algunas de las gotas comenzarán a subir. (Esto se debe a que la fuerza eléctrica hacia arriba Fe es mayor que la fuerza gravitacional hacia abajo Fg). Se selecciona una gota para observar la probable caída y se mantiene en el centro del campo de visión conectando y apagando el voltaje alternativamente hasta que todas las otras gotas habían caído. El experimento se continúa entonces con esta única gota.
La gota se deja caer y se calcula su velocidad terminal v1 en ausencia de campo eléctrico. La fuerza de fricción que actúa sobre la gota puede ser calculada usando la ley de Stokes: Fd = 6πrnv1 donde v1 es la velocidad terminal (es decir, la velocidad en ausencia de campo eléctrico) de la gota que cae, η es la viscosidad del aire, y r es el radio de la gota.
El peso Fg es el volumen V multiplicado por la densidad ρ y la aceleración de la gravedad g. Sin embargo, lo que se necesita es el peso aparente. El peso aparente en el aire es el peso real, menos el peso del aire que desplaza la gota (upthrust). Para una gota perfectamente esférica el peso aparente puede expresarse como: W = (4/3)πr3g(ρ - ρair)
A velocidad terminal, la gota de aceite no está acelerando. Así la fuerza total que actúa sobre ella debe ser cero. Así las dos fuerzas Fd y Fg deben cancelarse una a otra (esto es, Fd = W). Esto implica que: r2 = (9nv1)/2g(ρ - ρair) Una vez se ha calculado r, Fg puede calcularse fácilmente.
Ahora el campo se vuelve a encender, y la fuerza eléctrica sobre la gota es: FE = qE donde q es la carga de la gota de aceite y E es el campo eléctrico entre las placas. Para placas paralelas: E = V/d donde V es la diferencia de potencial y d es la distancia entre las placas.
Una de las formas concebibles para calcular q sería ajustar V hasta que la caída de la gota de aceite se mantenga estable. Entonces podríamos igualar FE con Fg. Pero en la práctica esto es muy difícil hacerlo con precisión. Además, la determinación de FE resulta difícil debido a que la masa de la gota de aceite es difícil de determinar sin volver de nuevo a la utilización de la Ley de Stokes. Un enfoque más práctico es hacer de V hasta un poco mayor para que la gota de aceite se eleve con una nueva velocidad terminal v2. Entonces: qE - Fg = 6πrnv2 = (Fgv2)/v1
LEYES APLICADAS
En este experimento se aplican distintas leyes, tales como: La ley de Stokes de movimiento de un cuerpo en un fluido, el principio de Arquímedes, la ley de gravitación universal, la Primera Ley de Newton o ley de inercia, la Segunda Ley de Newton o ley fundamental de la dinámica, la Tercera Ley de Newton o principio de acción y reacción, ley de Coulomb, leyes propias de la dinámica, leyes propias de la cinemática, entre muchas otras.
CONCLUSIÓN
Este experimento demuestra como con aparatos relativamente sencillos y con leyes elementales de la Física se pueden determinar cantidades fundamentales esenciales. Y, a su vez, a partir de estas cantidades se hace posible demostrar y obtener otras leyes útiles a la hora de resolver problemas o cuestiones físicas, químicas...Aunque, descubrimientos recientes nos revelan que Millikan no fue del todo honrado en la comunicación de sus resultados y que la intuición se impuso a la observación (ver Las Mentiras de la Ciencia – F. De Trocchio-Alianza editorial-nº1769).
BIBLIOGRAFÍA
https://rsef.es/images/Problemas/OEF2011/P3-OEF-2011.pdf
https://carlosalbertovara.wordpress.com/wp-content/uploads/2011/12/millikan1.pdf
Genially El experimento de Millikan de la gota de aceite.in título
Gustavo Moreno
Created on November 13, 2024
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Transcript
El experimento de Millikan de la gota de aceite.
Hecho por: Sami Florescu Chouirdi 2ºBACH A
ÍNDICE
Procedimiento experimental
Relevancia científica
Método
Leyes aplicadas
Conclusión
Bibliografía
RELEVANCIA CIENTÍFICA
En el año 1909 Robert Millikan y Harvey Fletcher diseñaron y realizaron el primer experimento para medir la carga del electrón. Hasta entonces los electrones sólo habían podido ser observados en forma de rayos catódicos, pero con ellos sólo se podía determinar la relación entre su carga y su masa. Con este experimento, Millikan Y Fletcher lograron medir el valor de la carga y, por tanto, también el de la masa. Para ello supusieron (por aquel entonces no estaba verificado) que la carga del electrón era la fundamental y, en consecuencia, la carga de cualquier cuerpo sería un múltiplo de dicha cantidad.
Millikan encontró que, si permitía a los rayos X pasar a través del aparato mientras observaba la gota, la carga de esta podía aumentar o disminuir, y la velocidad de subida también variaba en función de esa carga extra. Al caer la velocidad no variaba pues la masa de los electrones añadidos es despreciable comparada con la masa total de la gota.
Millikan y otros observadores que repitieron sus experiencias y encontraron que la carga de la gota nunca era menor que un valor mínimo (1,6· 10 –19 C) y siempre obtenían algún valor múltiplo entero de dicho valor, es decir, la carga está cuantizada. Nota: En el experimento original, Robert Millikan y Harvey Fletcher obtuvieron un valor ligeramente menor al conocido actualmente para la carga del electrón.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
El aparato de Robert Millikan incorpora un par de placas metálicas paralelas horizontales. Al aplicar una diferencia de potencial entre las placas, se crea un campo eléctrico uniforme en el espacio entre ellas. Se utilizó un anillo de material aislante para mantener las placas separadas. Cuatro agujeros se cortaron en el anillo, tres para la iluminación con una luz brillante, y otro para permitir la visualización a través de un microscopio.
Una fina niebla de gotas de aceite se roció a una cámara por encima de las placas. El aceite era de un tipo utilizado normalmente en aparatos de vacío y fue elegido porque tenía una presión de vapor extremadamente baja. El aceite ordinario se evaporaría bajo el calor de la fuente de luz causando que la masa de la gota de aceite cambiara durante el transcurso del experimento. Algunas gotas de aceite se cargaban eléctricamente a través de la fricción con la boquilla cuando fueron rociadas, mientras otras se descargaban hasta hacerse cationes y otras se volvían neutras. Como alternativa, la carga podría llevarse a cabo mediante la inclusión de una fuente de radiación ionizante (como un tubo de rayos X).
MÉTODO
Inicialmente, las gotas de aceite se dejan caer entre las placas con el campo eléctrico apagado. Muy rápidamente alcanzan la velocidad terminal debido a la fricción con el aire en la cámara. Se enciende entonces el campo y, si es lo suficientemente grande, algunas de las gotas comenzarán a subir. (Esto se debe a que la fuerza eléctrica hacia arriba Fe es mayor que la fuerza gravitacional hacia abajo Fg). Se selecciona una gota para observar la probable caída y se mantiene en el centro del campo de visión conectando y apagando el voltaje alternativamente hasta que todas las otras gotas habían caído. El experimento se continúa entonces con esta única gota.
La gota se deja caer y se calcula su velocidad terminal v1 en ausencia de campo eléctrico. La fuerza de fricción que actúa sobre la gota puede ser calculada usando la ley de Stokes: Fd = 6πrnv1 donde v1 es la velocidad terminal (es decir, la velocidad en ausencia de campo eléctrico) de la gota que cae, η es la viscosidad del aire, y r es el radio de la gota.
El peso Fg es el volumen V multiplicado por la densidad ρ y la aceleración de la gravedad g. Sin embargo, lo que se necesita es el peso aparente. El peso aparente en el aire es el peso real, menos el peso del aire que desplaza la gota (upthrust). Para una gota perfectamente esférica el peso aparente puede expresarse como: W = (4/3)πr3g(ρ - ρair)
A velocidad terminal, la gota de aceite no está acelerando. Así la fuerza total que actúa sobre ella debe ser cero. Así las dos fuerzas Fd y Fg deben cancelarse una a otra (esto es, Fd = W). Esto implica que: r2 = (9nv1)/2g(ρ - ρair) Una vez se ha calculado r, Fg puede calcularse fácilmente.
Ahora el campo se vuelve a encender, y la fuerza eléctrica sobre la gota es: FE = qE donde q es la carga de la gota de aceite y E es el campo eléctrico entre las placas. Para placas paralelas: E = V/d donde V es la diferencia de potencial y d es la distancia entre las placas.
Una de las formas concebibles para calcular q sería ajustar V hasta que la caída de la gota de aceite se mantenga estable. Entonces podríamos igualar FE con Fg. Pero en la práctica esto es muy difícil hacerlo con precisión. Además, la determinación de FE resulta difícil debido a que la masa de la gota de aceite es difícil de determinar sin volver de nuevo a la utilización de la Ley de Stokes. Un enfoque más práctico es hacer de V hasta un poco mayor para que la gota de aceite se eleve con una nueva velocidad terminal v2. Entonces: qE - Fg = 6πrnv2 = (Fgv2)/v1
LEYES APLICADAS
En este experimento se aplican distintas leyes, tales como: La ley de Stokes de movimiento de un cuerpo en un fluido, el principio de Arquímedes, la ley de gravitación universal, la Primera Ley de Newton o ley de inercia, la Segunda Ley de Newton o ley fundamental de la dinámica, la Tercera Ley de Newton o principio de acción y reacción, ley de Coulomb, leyes propias de la dinámica, leyes propias de la cinemática, entre muchas otras.
CONCLUSIÓN
Este experimento demuestra como con aparatos relativamente sencillos y con leyes elementales de la Física se pueden determinar cantidades fundamentales esenciales. Y, a su vez, a partir de estas cantidades se hace posible demostrar y obtener otras leyes útiles a la hora de resolver problemas o cuestiones físicas, químicas...Aunque, descubrimientos recientes nos revelan que Millikan no fue del todo honrado en la comunicación de sus resultados y que la intuición se impuso a la observación (ver Las Mentiras de la Ciencia – F. De Trocchio-Alianza editorial-nº1769).
BIBLIOGRAFÍA
https://rsef.es/images/Problemas/OEF2011/P3-OEF-2011.pdf
https://carlosalbertovara.wordpress.com/wp-content/uploads/2011/12/millikan1.pdf