Експеримент з олійними краплями

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Схема експерименту Міллікена

Експеримент з олійними краплями (дослід Міллікена) — класичний фізичний експеримент із вимірювання елементарного електричного заряду, здійснений 1909 року Робертом Ендрусом Міллікеном та Гарві Флетчером. Експеримент встановив дискретність електричного заряду та визначив значення заряду електрона з точністю до 1%[1][2].

Ідея досліду в тому, щоб скомпенсувати падіння зарядженої крапельки олії в гравітаційному полі Землі, електричним полем. Мінячи напруженість електричного поля можна змусити ті крапельки, які мають заряд рухатися повільніше, зависнути в повітрі або ж рухатися вгору. Аналіз падіння краплі без електричного поля та в полях різної напруженості, дозволяє визначити її масу та кулонівську силу, яка діє на неї, а, отже, й електричний заряд.

Передісторія[ред.ред. код]

Електрони відкрив 1897 року Джозеф Джон Томсон, експериментуючи з катодними променями. Однак, на початок XX століття їх існування не було загальновизнаним фактом. Більшість електричних та електромагнітнах явищ добре описувалася, припускаючи, що заряд може мати будь-яке значення із неперервного спектру.

Коли Міллікен задумав свій експеримент, він працював в Чиказькому університеті. В роботі над експериментом йому допомагав Гарві Флетчер, однак він не фігурує в списку авторів публікації за домовленістю з Міллікеном — він отримав для своєї дисертації результати інших досліджень. Міллікен отримав 1923 року Нобелівську премію частково за цей експеримент.

Експериментальна установка[ред.ред. код]

Прилад для спостереження за рухом крапельок в електричному полі

Основною частиною приладу були плоскопаралельні електроди, розділені кільцем із ізоляційного матеріалу. До пластинок прикладалася напруга, що сворювало між ними однорідне електричне поле. В ізоляторі були чотири отвори, три для освітлення, один для спостереження. Олія впорскувалася пульверизатором в камеру над пластинками, утворюючи туман, що складався з дрібних крапельок. Олійні краплі було обрано тому, що вони не випаровувалися при яскравому освітленні, і маса крапельки залишалася постійною впродовж спостереження над нею. При впорскуванні частина крапельок електризувалася завдяки тертю. Додатково крапелькам можна було надати заряд опроміненням рентгенівськими променями. Крапельки падали в простір між електродами через отвір у верхньому з них. Міняючи напругу, можна було змусити їх рухатися вниз або вгору.

Теорія[ред.ред. код]

Без електричного поля крапельки прискорюються в полі тяжіння землі доти, доки сила тяжіння не буде врівноважена силою тертя, після чого вони рухатимуться зі сталою швидкістю. Силу тертя можна розрахувати за формулою шести піруетів Стокса:

 F_{d} = 6 \pi R \eta v_1 ,

де  R - радіус краплі,  \eta - в'язкість повітря,  v_1 - швидкість падіння.

Сила тяжіння з урахуванням сили Архімеда дорівнює:

 F_g = (\rho - \rho_{air}) g \frac{4 \pi}{3} R^3 ,

де  \rho та  \rho_{air} - густини олії та повітря, відповідно, g - прискорення вільного падіння.

Прирівнюючи ці дві сили, можна з високою точністю визначити радіус краплі:

 R^2 = \frac{9\eta v_1}{2 g (\rho - \rho_{air})} ,

а, отже, й її масу.

В електричному полі крапля зависне тоді, коли сила тяжіння буде врівноважена електростатичною силою:

 qE = q \frac{V}{d} = F_g ,

де  q - заряд краплі,  E - напруженість електричного поля,  V - напруга між електродами,  d - відстань між ними. Звідси можна визначити електричний заряд краплі:

 q = \frac{F_g d}{V} .

Одак, зручніше прикласти таке поле, що крапля рухалася вгору зі швидкістю  v_2 . Тоді, вимірявши цю швидкість, заряд краплі можна вирахувати за формулою

 q = \left(\left| \frac{v_2}{v_1} \right| - 1 \right) \frac{F_g d}{V} .

Результати[ред.ред. код]

Визначені значення заряду виявилися кратними величині 1,5924-19 Кл, в залежності від того, скільки зайвих електронів мала крапля. Сучасне значення елементарного заряду відрізняється на 1%. Систематична похибка в досліді Міллікена пояснювалася неточним значенням в'язкості повітря.

Експеримент мав вирішальне значення для утвердження думки про квантованість електричного заряду та існування частинки його носія - електрона. За свою елегантність експеримент фігурує в списку 10 найкрасивіших дослідів усіх часів, опублікованому Нью-Йорк Таймс[3].

Виноски[ред.ред. код]

  1. Elektrizitätsmengen, Phys. Zeit., 10(1910), p. 308
  2. Millikan R. A. On the Elementary Electric charge and the Avogadro Constant // Phys. Rev., 2 (1913) (2) С. 109–143. — Bibcode:1913PhRv....2..109M. — DOI:10.1103/PhysRev.2.109.
  3. 10 найкрасивіших дослідів усіх часів


Фізика Це незавершена стаття з фізики.
Ви можете допомогти проекту, виправивши або дописавши її.