Πείραμα σταγόνας λαδιού

Το πείραμα σταγόνας λαδιού πραγματοποιήθηκε το 1909 από τους Robert A. Millikan και Harvey Fletcher στο Φυσικό Εργαστήριο Ryerson στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο. Είναι εναλλακτικά γνωστό ως πείραμα πτώσης λαδιού του Millikan.

Χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση του φορτίου ενός ηλεκτρονίου και κέρδισε στον Millikan το βραβείο Νόμπελ το έτος 1923. Το ίδιο το πείραμα και η κατανόηση του νοήματος του πειράματος σταγόνας λαδιού ήταν μια σημαντική ανακάλυψη στη φυσική. Περιλάμβανε τη χρήση μιας συσκευής που παρήγαγε ένα ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργήθηκε μεταξύ παράλληλων μεταλλικών πλακών που κρατούνταν μακριά από τη μόνωση. Μικροσκοπικά ηλεκτρικά φορτισμένα σταγονίδια λαδιού πέρασαν μέσα από τις μεταλλικές πλάκες λόγω του μεταβαλλόμενου ηλεκτρικού πεδίου. Το άρθρο περιλαμβάνει περαιτέρω όλες τις λεπτομέρειες σχετικά με το πείραμα.

Επισκόπηση πειράματος πτώσης λαδιού 

Το πείραμα σταγόνας λαδιού βοήθησε στη μέτρηση του φορτίου του ηλεκτρονίου. Στο πείραμα, μικροσκοπικά, φορτισμένα σταγονίδια λαδιού αιωρούνται μεταξύ δύο μεταλλικών ηλεκτροδίων. Αυτή η διαδικασία εξισορροπεί την καθοδική βαρυτική δύναμη με την ανοδική έλξη και τις ηλεκτρικές δυνάμεις.

Καθώς η φορτισμένη σταγόνα λαδιού περνούσε μεταξύ των μεταλλικών ηλεκτροδίων που κρατούνταν παράλληλα μεταξύ τους σε μηδενικά ηλεκτρικά πεδία, βοήθησε στη μέτρηση της ταχύτητας της πτώσης των σταγονιδίων. Καθώς το ηλεκτρικό πεδίο περνούσε μεταξύ των μεταλλικών πλακών, ρυθμίστηκε έως ότου οι σταγόνες αιωρήθηκαν σε μηχανική ισορροπία. Αυτό έδειξε ότι οι ηλεκτρικές και βαρυτικές δυνάμεις ήταν σε ισορροπία, γεγονός που βοήθησε στον προσδιορισμό του ηλεκτρικού πεδίου. Το φορτίο του ηλεκτρικού πεδίου υπολογίστηκε ότι είναι 1,5924 x 10-19 Coulombs (C).

Αρχή πειράματος πτώσης λαδιού 

Το πείραμα βοήθησε στον υπολογισμό του αθροίσματος των ηλεκτρικών δυνάμεων και του μεγέθους του ηλεκτρικού πεδίου με τη βοήθεια του φορτίου που απομονώθηκε από τη σταγόνα λαδιού. Ακολουθούν οι αρχές του πειράματος:

• Το πείραμα σταγόνας λαδιού έδειξε ότι η σταγόνα λαδιού θα μπορούσε να πέσει κάτω από το βάρος της. Εφαρμόστε ένα ηλεκτρικό πεδίο στη σταγόνα λαδιού που αιωρείται χρησιμοποιώντας ηλεκτρικό πεδίο. η ηλεκτροστατική δύναμη εξισορροπεί το βάρος της. Ως εκ τούτου, η ηλεκτροστατική δύναμη καθορίζεται από την πτώση.
• Αφήνοντας τη σταγόνα λαδιού να πέσει γρήγορα στον αέρα, επιταχύνει με τη μέγιστη ταχύτητα και φτάνει στην τελική ταχύτητα. Η παχύρρευστη αντίσταση του αέρα βοηθά στην εξισορρόπηση του βάρους της σταγόνας λαδιού. Η παχύρρευστη αντίσταση υπολογίζεται με τη βοήθεια του νόμου του Stoke.
• Το πείραμα πραγματοποιήθηκε πάνω από 150 φορές και ένας υψηλός κοινός παράγοντας υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας 58 πειράματα. Αυτό βοήθησε να διαπιστωθεί ότι η μονάδα μίας φόρτισης μπορούσε να πολλαπλασιαστεί για να ληφθεί η συνολική φόρτιση σε όλες τις σταγόνες λαδιού.

Συσκευή που χρησιμοποιείται στο πείραμα σταγόνας λαδιού 

Για το πείραμα χρησιμοποιήθηκε μια ειδικά σχεδιασμένη συσκευή. Η σημασία του πειράματος σταγόνας λαδιού και ο σωστός υπολογισμός προσδιορίστηκε μόνο όταν χρησιμοποιήθηκε η σωστή συσκευή.

Η συσκευή αποτελούνταν από δύο μεταλλικές πλάκες που χωρίζονταν από μια μονωμένη ράβδο. Κάθε μία από τις πλάκες είχε τέσσερις τρύπες, από τις οποίες οι τρεις επέτρεπαν τη διέλευση του φωτός και η τέταρτη χρησιμοποιήθηκε για θέαση. Οι μεταλλικές πλάκες τοποθετούνται στη συσκευή σε οριζόντιο σχέδιο και η εφαρμογή της διαφοράς δυναμικού δημιουργεί ένα ομοιόμορφο ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ των χώρων. Οι σταγόνες λαδιού ψεκάζονται στον θάλαμο από πάνω από τις πλάκες, οι οποίες εισέρχονται στο χώρο μεταξύ των πλακών και ανεβαίνουν ή πέφτουν αλλάζοντας την τάση στις πλάκες.

Διαδικασία του πειράματος σταγόνας λαδιού 

Η επισκόπηση του πειράματος σταγόνας λαδιού δείχνει ότι βοηθά στη μέτρηση του φορτίου του ηλεκτρονίου. Ακολουθεί η διαδικασία πειραματισμού:

• Οι σταγονίδια λαδιού περνούν μέσα από τον ψεκαστήρα και σχηματίζει περαιτέρω μικροσκοπικά σταγονίδια που κινούνται μέσα από τις οπές που βρίσκονται στην επάνω πλάκα της συσκευής.
• Καθώς τα σταγονίδια κινούνται προς τα κάτω, η κίνησή τους παρατηρείται μέσω μικροσκοπίου μαζί με τη μάζα των σταγονιδίων λαδιού και στη συνέχεια μετράται η τελική του ταχύτητα.
• Ο αέρας μέσα στο θάλαμο ιονίζεται περνώντας μια δέσμη ακτίνων Χ και λόγω του ιονισμού του αέρα, τα σταγονίδια λαδιού αποκτούν ηλεκτρικό φορτίο καθώς τα σταγονίδια συγκρούονται με τα αέρια ιόντα.
• Καθώς οι σταγονίδια λαδιού κινούνται μέσα από τις μεταλλικές πλάκες, το ηλεκτρικό πεδίο δημιουργείται μεταξύ των παράλληλων μεταλλικών πλακών και ως εκ τούτου τα σταγονίδια επηρεάζονται από το ηλεκτρικό πεδίο.
• Η βαρύτητα έλκει το λάδι προς τα κάτω και το φορτίο ωθείται προς τα πάνω λόγω του ηλεκτρικού πεδίου. Καθώς η ισχύς του ηλεκτρικού πεδίου ελέγχεται, οι σταγόνες λαδιού φτάνουν σε μια ισορροπία στη βαρύτητα.
• Σε ισορροπία, υπολογίζεται το φορτίο που μεταφέρεται στη σταγόνα λαδιού και αυτό εξαρτάται από την ισχύ του ηλεκτρικού πεδίου και τη μάζα των σταγονιδίων.

Υπολογισμός του πειράματος πτώσης λαδιού του Millikan 

Το πείραμα επιτρέπει στις σταγόνες λαδιού να πέσουν μεταξύ των πλακών όταν το καθαρό ηλεκτρικό πεδίο είναι μηδέν. Διαπιστώθηκε ότι μαζί με την πειραματική συσκευή, οι σταγόνες λαδιού αρχικά επιταχύνονται λόγω της βαρύτητας, αλλά σταδιακά επιβραδύνονται λόγω της αντίστασης του αέρα.

Μπορεί να υπολογιστεί με τους τύπους:

Fup – Q.E και Fdown =m

Q.E =m.g

Q =m.gE

Όπου Q είναι το φορτίο του ηλεκτρονίου, m είναι η μάζα του σταγονιδίου, E είναι το ηλεκτρικό πεδίο και το g συμβολίζει τη βαρύτητα.

Συμπέρασμα 

Το πείραμα σταγόνας λαδιού είναι μια σημαντική έννοια τόσο στη χημεία όσο και στη φυσική, και ο Millikan κέρδισε το βραβείο Νόμπελ για τον καθορισμό του φορτίου στο ηλεκτρόνιο χρησιμοποιώντας το πείραμα. Η ενιαία συσκευή βοήθησε στην κατανόηση της έννοιας του ηλεκτρικού φορτίου, της βαρύτητας και των δυνάμεων έλξης του αέρα. Με το πείραμα σταγόνας λαδιού, ήταν εύκολο να υπολογιστεί το άθροισμα των ηλεκτρικών δυνάμεων και το μέγεθος του ηλεκτρικού πεδίου με τη βοήθεια του μικροσκοπικού φορτίου της απομονωμένης σταγόνας λαδιού.