FÍSICA III

EXPERIMENTO DE LA GOTA DE ACEITE DE MILLIKAN

NOMBRE: TANIA MARLENE VILLARREAL CANTÚ

MATRÍCULA

:687624

MAESTRO: ING. ÁYAX SANTOS GUEVARA.

EXPERIMENTO DE MILLIKAN DE LA GOTA DE ACEITE

. Millikan1 empezó sus experimentos sobre la carga electrónica "e" en 1906. Su aparato está ilustrado por el simple esquema de la figura. Diminutas gotas de aceite procedentes de un pulverizador son rociadas en la región que está encima de una de las placas metálicas circulares E' y E- Vista en sección transversal -. La placa superior está perforada por un diminuto orificio P, a través del cual, ocasionalmente, una gota de aceite caerá desde la nebulización. Una vez entre las placas, dicha gota es iluminada por una lámpara de arco situada lateralmente, observándose su movimiento por medio de un microscopio de poca potencia enfocado al centro de las placas

Con el interruptor S en la posición “arriba” las placas del condensador están conectadas a tierra, de modo que su carga es cero. Bajo estas condiciones, la gota de aceite que cae bajo la acción de la gravedad adquiere velocidad constante. Esta VELOCIDAD FINAL, como se la llama, es alcanzada por la gota antes de entrar en el campo visual y tiene un valor tal que el tirón hacia abajo de la FG = mg, (ver figura), es igualado exactamente por la fuerza hacia arriba de la resistencia del aire, FR. La velocidad de la gota se puede establecer usando un cronómetro para medir el tiempo requerido por la gota para descender la distancia entre dos líneas transversales de la retícula de la figura.

Al

acercarse la gota a la placa del fondo, el interruptor S se pone en la posición "abajo”, cargándose las placas con cargas de distinto signo. La gota que tiene carga negativa, como se ve en la figura, soportará una fuerza electrostática hacia arriba FE

1 Robert Andrews Millikan (1868-1953). norteamericano, educado en el Oberfin College y en la Universidad de Columbia. Fué durante 25 años profesor de Fisica en la Universidad de Chicago y 30 años presidente del Laboratorio Norman Bridge en CALTECH - Instituto Tecnológico de California en Pasadena. En la Priimera Guerra Mundial sirvió en la sección de Investigacíón del Cuerpo de Señales con el grado de teniente coronel. Sus contribuciones a la ciencia han sido la medida de la carga del electrón, la determinación fotoelectrica de la energía del cuanto de acción de la luz y su estudio preciso de los rayos cósmicos. Fue el segundo americano que obtuvo el Premio Nobel de Física(1923). También recibió la medalla Edison, la Faraday y la Mattenci.

que la impulsa a subir. La gota se moverá con una velocidad constante si FE es mayor que FG pero igual a la suma de FG

y l de a fuerza de rozamiento. Usando otra vez el cronómetro, esta vez para medir la velocidad de subida, se puede calcular la fuerza ascendente. Conociendo el voltaje entre las placas y la fuerza, podemos calcular la carga sobre la gota.

Cuando la gota se acerca a la placa de arriba, se pone el interruptor S en posición "arriba" y se conectan las placas a tierra. En estas condiciones la gota cae sometida a la acción de la gravedad. Al acercarse al fondo se invierte de nuevo el proceso y se hace subir y bajar varias veces a una misma gota, midiéndose la velocidad de bajada y subida (espacios /tiempos). Por medidas directas obtenemos la velocidad y por cálculos matemáticos obtenemos la masa y la carga de la gota.

La Ley de Stokcs de movimiento de un cuerpo en un fluido, dice que la fuerza resistente del aire es = 6 v·r . Siendo "v" la velocidad ; "r" radio de la gota ;" ” las capas de cualquier fluido que se deslizan unas respecto a otras con distinta velocidad . La fuerza debe ser proporcional a la superficie de contacto y a la diferencia de velocidad entre las capas e inversamente proporcional a la separación entre ellas. La ecuación de proporcionalidad pasa a igualdad con el coeficiente de viscosidad" ."

Densidad del aceite = m/ Volumen. Se supone la densidad de la gota “esférica” igual a la densidad media del aceite empleado. Volumen = 4/3 r3

.Gota cayendo sin actuar el campoFr = m·g ; Fr =6 v·r; Conocemos la densidad del aceite y la viscosidad del aire.

Medimos la velocidad límite y hallamos “r”. Para hallar la “m” de la gota : m= Vol· aceite

Gota ascendiendo actuando el campoLa fuerza electrostática es "q·E". La fuerza neta ascendente será: “q E – mg”, que será neutralizada por el rozamiento del aire ( Fr ) para que suba con velocidad constante:

Vascendente= (qE - mg) / 6 ·rConocemos todo menos -q- pero podemos h allarla haciendo operaciones. El campo externo “E” lo variamos a voluntad para obtener distintas velocidades.

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 (LA CARGA ESTA CUANTIZADA).

Este experimento demuestra como con aparatos relativamente sencillos y con leyes elementales de la Física se pueden determinar cantidades fundamentales importantísimas. 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).

http://es.wikipedia.org/wiki/Robert_Andrews_Millikan

Robert Andrews Millikan (n. Morrison, Illinois; 22 de marzo de 1868 - † San Marino, California; 19 de diciembre de 1953) fue un físico estadounidense que ganó el Premio Nobel de Física en 1923 primordialmente

por su trabajo para determinar el valor de la carga del electrón y el efecto fotoeléctrico. También investigó los rayos cósmicos.

Investigaciones científicas [editar]

http://es.wikipedia.org/wiki/Robert_Andrews_Millikan

Estudió en un principio la radioactividad de los minerales de uranio y la descarga en los gases. Luego realizó investigaciones sobre radiaciones ultravioletas.

De 1910-1917, mediante su experimento de “la gota de aceite”, él determinó la carga del electrón (e-): 1,602 × 10-19 coulomb; su masa en reposo es: 9,109 × 10-28 kg.

La carga del electrón es la unidad básica de electricidad y se considera la carga elemental en el sentido de que todos los cuerpos cargados lo están con un múltiplo entero de dicha carga. El electrón y el protón poseen la misma carga, pero, convencionalmente, la carga del protón se considera positiva y la del electrón negativa.

En 1916 procedió a determinar la constante de Planck midiendo la frecuencia de la luz y la energía de los electrones liberados en el efecto fotoeléctrico. Posteriormente se dedicó al estudio de los rayos cósmicos (como él los denominó), mediante experiencias efectuadas desde una profundidad de 20 metros bajo el agua hasta una altura de 16.000 metros, para lo que organizó expediciones científicas en Australia y en la India. Experimentó de esta forma el aumento de la intensidad de estos rayos con la altura.

En 1923 fue galardonado con el Premio Nobel de Física por sus trabajos para determinar el valor de carga del electrón y el efecto fotoeléctrico.

RES

Bueno, voy a tratar de explicarlo lo más sencillo posible.

Millikan obtuvo la carga del electrón observando como una gota de aceite cargada caia en presencia y en ausencia de un campo eléctrico.

Millikan tomó un roseador en spray para producir pequeñas gotas de aceite dentro de la parte superior de una recámara. Algunas de las gotas pasaron a la parte inferior de la recámara atraves de un pequeño agujero donde él seguía el movimiento de una gota con un microscopio. Algunas de estas gotas tomaron uno o más electrones como resultado de la fricción del reseador y se convirtieron en cargas negativas. Una gota negativamente cargada será atraida hacia arriba cuando Millikan le añadia corriente a los platos o placas eléctricos(as).

Para ser más gráfica, la recámara del experimento estaba dividida en dos, la placa que la dividía por la mitad, que era la que contenía el agujero, estaba cargada positivamente mientras que el fondo de la recámara contaba con una placa eléctrica cargada negativamente.

Los resultados obtenidos por Millikan fueron:La carga del electrón que es 1.602 x 10^-19 coulombs(C, unidad de carga eléctrica)

Si utilizas esta carga con el más reciente valor de masa-a-carga ratio del electrón, obtienes que la masa de un electrón es de 9.109 x 10^-31 kg; lo que claramente muestra que el electrón es una partícula subatómica.

Espero que le sirva y trate lo mejor de hacerlo en la forma más sencilla posible pues un experimento como este puede resultar algo complejo para explicar.

Fuente(s):Estudiante de Ingeniería Química - Libro de Química General

En un átomo los electrones rodean el núcleo, compuesto únicamente de protones y neutrones.

La carga eléctrica es de naturaleza discreta, fenómeno demostrado experimentalmente por Robert Millikan. Por razones históricas, a los electrones se les asignó carga negativa: –1, también expresada –e. Los protones tienen carga positiva: +1 o +e. A los quarks se les asigna carga fraccionaria: ±1/3 o ±2/3, aunque no se han podido observar libres en la naturaleza.1

La ley de Stokes se refiere a la fuerza de fricción experimentada por objetos esféricos moviéndose en el seno de un fluido viscoso en un régimen laminar de bajos números de Reynolds. Fue derivada en 1851 por George Gabriel Stokes tras resolver un caso particular de las ecuaciones de Navier-Stokes. En general la ley de Stokes es válida en el movimiento de partículas esféricas pequeñas moviéndose a velocidades bajas.

La ley de Stokes puede escribirse como:

Fr = 6πRην ,

donde R es el radio de la esfera, ν su velocidad y η la viscosidad del fluido.

La condición de bajos números de Reynolds implica un flujo laminar lo cual puede traducirse por una velocidad relativa entre la esfera y el medio inferior a un cierto valor crítico. En estas condiciones la resistencia que ofrece el medio es debida casi exclusivamente a las fuerzas de rozamiento que se oponen al deslizamiento de unas capas de fluido sobre otras a partir de la capa límite adherida al cuerpo. La ley de Stokes se ha comprobado experimentalmente en multitud de fluidos y condiciones.

Si las partículas están cayendo verticalmente en un fluido viscoso debido a su propio peso puede calcularse su velocidad de caída o sedimentación igualando la fuerza de fricción con el peso aparente de la particula en el fluido.

donde:

Vs es la velocidad de caída de las partículas (velocidad límite) g es la aceleración de la gravedad, ρp es la densidad de las partículas y ρf es la densidad del fluido. η es la viscosidad del fluido.

http://es.wikipedia.org/wiki/Experimento_de_la_gota_de_aceite

Se denomina experimento de Millikan o experimento de la gota de aceite al experimento realizado por primera vez en 1909 por el físico estadounidense Robert Millikan y que le permitió medir la carga del electrón.

El experimento consiste en introducir en un elemento gaseoso, gotitas de aceite de un radio del orden de un micrómetro. Estas gotitas caen lentamente, con un movimiento uniforme, con su peso compensado por la viscosidad del medio. Este tipo de movimiento viene regido por la ley de Stokes. Ahora bien, las gotas se cargan electrostáticamente al salir del atomizador por lo que su movimiento de caída se altera significativamente si se hace actuar un campo eléctrico vertical. Ajustando convenientemente la magnitud del campo eléctrico, puede lograrse que la gota permanezca en suspensión.

Conociendo el valor m de la masa de la gota, la intensidad E del campo eléctrico y el valor g de la gravedad, puede calcularse la carga q de la gota en equilibrio:

mg = qE principalmente

Millikan comprobó que los valores de las cargas eran siempre múltiplos de una carga elemental, la del electrón. Por consiguiente pudo medir la carga eléctrica que posee un electrón. Este valor es:

e = 1,602 × 10-19 culombios.

Millikan recibió el premio Nobel de Física en 1923 en parte por este experimento.

Dispositivo experimental [editar]

Véase también [editar]

http://dieumsnh.qfb.umich.mx/fisquimica/millikan.htm

La determinación de la carga eléctrica, fue determinada por Millikan en 1906, esta determinación se realizó mediante un experimento, el cual se describe a continuación.

 

 

Fig1

 

En este experimento se utilizó un pulverizador el cual contiene aceite, mediante este instrumento se rocía gotas de aceite encima de una placa metaliza circular, la cual contiene una perforación, P, a través del cuál en ocasiones las gotas pasan a la placa inferior como se observa en el esquema. Después de pasar una de las gotas por la placa, esta es iluminada por una lámpara de arco, lo cual sirve para observar por medio de un microscopio de baja potencia, el cual se enfoca a la observación entre las placas. Cuando las gotas de aceite se encuentran con potencial cero estas caen con velocidad constante, es decir, únicamente sujetas a la gravedad (el interruptor se encuentra con la posición hacia arriba, ver Fig 1 ). La velocidad final es alcanzada antes de entrar al enfoque del microscopio, momentos antes de que la gota toque la placa inferior se cierra el circuito mediante el interruptor como se muestra en el esquema (Figura 2 que se obtiene al pasar el puntero del raton por encima de la imagen), en la caída la gota desciende mediante una fuerza

 

 Esta fuerza es contrarrestada casi en su totalidad por la fuerza de fricción provocada por la acción del aire FR. Sin embargo una vez que se cierra el circuito la placa inferior queda cargada con carga negativa, de lo que aplicando la ley de Coloumb los electrones de las gotas de aceite suben, debido a la repulsión. 

 

 En base a  la diferencia de distancias al momento de descender, determinada mediante líneas horizontales marcadas en el campo visual del microscopio y los tiempos marcados mediante un cronometro se determina la velocidad de la gota de aceite.

  Esquemas del campo visual donde se determina la velocidad en base al cambio de posición.

Una vez que asciende la gota de aceite gracias al la acción de la fuerza de repulsión entre partículas, podemos determinar, además de los resultados obtenidos para medir la velocidad.

 

De la mecánica de los fluidos, mediante la ley de Stokes, podemos determinar que la fuerza resistente del aire es

 

 

Donde "v" la velocidad; "r" radio de la gota; " ” las capas de cualquier fluido que se deslizan unas respecto a otras con distinta velocidad. La fuerza debe ser proporcional a la superficie de contacto y a la diferencia de velocidad entre las capas e inversamente proporcional a la separación entre ellas. La ecuación de proporcionalidad pasa a la igualdad con el coeficiente de viscosidad" ".

 

Un parámetro importante es la densidad del aceite, donde debemos de considerar que el volumen considerado, esta determinado por

 

 

recordemos, además que la masa puede expresarse en función de la densidad:

 

 

Mediante el teorema de Stokes

Sustituyendo la relación de la densidad de la gota de aceite tendremos:

 

 

Análisis de las componentes en el momento en que se cierra el circuito.

 

La fuerza electrostática es

 

La fuerza total con la que asciende será:

 

esta fuerza será neutralizada por la fuerza de rozamiento causada por el aire (Fr)

para que suba con velocidad constante:

 

 

de donde despejando tendremos:

 

 

En esta fórmula la determinación de la carga es lo único que no se conocía en los cálculos. Millikan considero conveniente modificar el campo eléctrico externo, una formulación consideraba que el modificar el campo externo también variaría la velocidad de descenso de la gota de aceite. Millikan observó que si utilizaba rayos X, pasándolos por el aparato, la carga de esta podía aumentar o disminuir, y la velocidad de subida podía variar. Sin embargo al bajar la velocidad no variaba, una explicación es que la masa de los electrones adicionales no varía sustancialmente la masa de los electrones, ya que eran considerados despreciables comparadas con la masa total de la gota. Millikan encontró que la carga de la gota nunca era menor de 1.6x10 –19 C, pero que además siempre era un múltiplo de un valor entero de dicho valor. Lo cual significa que la carga esta cuantizada.

BIBLIOGRAFIA

http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/teoria/apuntes/millikan.rtf