A Figura 1 mostra um diagrama da instalação usada no experimento por A. F. Ioffe. Em um recipiente fechado, do qual o ar foi evacuado para um alto vácuo, havia duas placas de metal P colocado horizontalmente. Da câmera MAS através do buraco O pequenos grãos de poeira carregados de zinco entraram no espaço entre as placas. Essas partículas de poeira foram observadas ao microscópio.
Suponhamos que o grão de poeira esteja carregado negativamente. Sob a influência da gravidade, ele começa a cair. Mas sua queda pode ser retardada se a placa inferior estiver carregada com uma carga negativa e a superior com uma carga positiva. Em um campo eletrostático entre as placas, uma força \(~\vec F_(el)\) atuará sobre um grão de poeira, que é proporcional à carga do grão. Se um mg = F el , então a partícula de poeira estará em equilíbrio por um tempo arbitrariamente longo. Em seguida, a carga negativa do grão de poeira foi reduzida, expondo-o à luz ultravioleta. O grão de poeira começou a cair, à medida que a força \(~\vec F_(el)\) agindo sobre ele diminuiu. Ao conferir uma carga adicional às placas e, assim, fortalecer o campo elétrico entre as placas, o grão de poeira foi novamente interrompido. Isso foi feito várias vezes.
Experimentos mostraram que a carga de um grão de poeira sempre mudava gradualmente, um múltiplo da carga de um elétron. A partir dessa experiência, A.F. Ioffe chegou à seguinte conclusão: a carga de uma partícula de poeira é sempre expressa como múltiplos inteiros da carga elementar e. Não há "porções" menores de carga elétrica capazes de se transferir de um corpo para outro. Mas a carga de um grão de poeira sai junto com uma partícula de matéria. Consequentemente, na natureza existe tal partícula de matéria, que tem a menor carga, então já indivisível. Essa partícula é chamada elétron.
O valor da carga do elétron foi determinado pela primeira vez pelo físico americano R. Milliken. Em seus experimentos, ele utilizou pequenas gotas de óleo, observando seu movimento em um campo eletrostático (Fig. 2). Nesses experimentos, foi medida a velocidade de movimento de gotas de óleo em um campo eletrostático uniforme entre duas placas de metal. Uma gota de óleo que não tem carga elétrica devido à resistência do ar e flutuabilidade cai com uma velocidade constante, pois \(~m \vec g + \vec F_A + \vec F_c = 0\).
Se no caminho a gota encontra um íon e adquire uma carga elétrica q, então, além da força da gravidade \(~m \vec g\), \(~\vec F_c\) e \(~\vec F_A\), a força \(~\vec F_(el )\ ). Então, sob movimento constante \(~m \vec g + \vec F_A + \vec F_c + \vec F_(el) = 0\). Ao medir a velocidade da queda, Millikan foi capaz de determinar sua carga.
Literatura
Aksenovich L. A. Física no ensino médio: teoria. Tarefas. Testes: Proc. subsídio para instituições que prestam serviços gerais. ambientes, educação / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K.S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 210-211.
Experiência de Millikan- experiência em medição carga elétrica elementar(carregar elétron) realizado Robert Milliken e Harvey Fletcher(Inglês) russo em 1909 .
A ideia do experimento é encontrar um equilíbrio entre gravidade, Força Stokes e repulsão elétrica. Ao controlar a potência do campo elétrico, Milliken e Fletcher mantiveram pequenas gotas de óleo em equilíbrio mecânico. Ao repetir o experimento por várias gotas, os cientistas confirmaram que a carga total da gota é composta de várias cargas elementares. O valor da carga do elétron no experimento de 1911 acabou sendo igual a cl, que difere em 1% do valor atual em Cl.
Pré-requisitos
Em 1913 Professor Universidade de Chicago R. Milliken coautoria com H. Fletcher publicou um rascunho de sua experiência.
Neste experimento, foi medida a força do campo elétrico, que pode conter uma gota carregada de óleo entre dois eletrodos. A carga da gota foi medida a partir do valor deste campo. As próprias gotas foram eletrificadas durante a pulverização. Em tempos de experiência não era óbvia a existência partículas subatômicas, e a maioria dos fenômenos físicos [ que? ] pode ser explicado assumindo que a carga é uma quantidade que muda continuamente.
Assim chamado carga elementar e é um dos fundamentos constantes físicas e saber seu significado exato é muito importante. Em 1923, Millikan recebeu premio Nobel sobre física parcialmente para este experimento.
Descrição da experiência
No espaço entre duas placas energizadas (em um capacitor), Millikan injetou pequenas gotas carregadas de óleo, que poderiam ser estacionárias em um determinado campo elétrico. O equilíbrio veio sob a condição , onde
As forças resultantes da gravidade e as forças de Arquimedes;
, onde por sua vez
Densidade de uma gota de óleo;
Seu raio sob a suposição de que a gota é esférica;
Densidade do ar
A partir dessas fórmulas, conhecendo e, podemos encontrar. Para determinar o raio da gota, mediu-se a taxa de queda uniforme da gota na ausência de campo, pois o movimento uniforme é estabelecido quando a força da gravidade é equilibrada pela força de resistência do ar, onde é a viscosidade da gota. ar.
Era difícil corrigir a imobilidade da gota naquele momento, portanto, em vez de um campo que satisfaça a condição, foi usado um campo, sob a influência do qual a gota começou a se mover para cima em baixa velocidade. Obviamente, se a velocidade de subida for igual, então
No decorrer do experimento, um fato importante foi obtido: todos os valores obtidos por Millikan acabaram sendo múltiplos do mesmo valor. Assim, foi demonstrado experimentalmente que a carga é uma quantidade discreta.
Até o início do século XX. a existência de elétrons foi estabelecida em vários experimentos independentes. Mas, apesar do vasto material experimental acumulado por várias escolas científicas, o elétron permaneceu, a rigor, uma partícula hipotética. A razão é que não havia um único experimento no qual um único elétron participasse.
Primeiro, os elétrons apareceram como uma hipótese conveniente para explicar as leis da eletrólise, depois foram descobertos em uma descarga de gás, o que confirmou sua existência em todos os corpos. No entanto, não ficou claro se a física está lidando com o mesmo elétron, o mesmo para todas as substâncias e corpos, ou se as propriedades de um elétron são características médias de uma ampla variedade de "irmãos de elétrons".
Para responder a essa pergunta, em 1910-1911, o cientista americano Robert Andrews Milliken e o físico soviético Abram Fedorovich Ioffe realizaram independentemente experimentos precisos nos quais era possível observar elétrons individuais.
Em seus experimentos, em um recipiente fechado 1, do qual o ar era evacuado por uma bomba para um alto vácuo, havia duas placas de metal localizadas horizontalmente 2. Uma nuvem de partículas de poeira metálica carregada ou gotículas de óleo foi colocada entre elas através de um tubo 3. Eles foram observados em um microscópio 4 com uma escala especial, o que possibilitou observar sua acomodação (queda).
Vamos supor que as partículas ou gotículas de poeira foram carregadas negativamente antes de serem colocadas entre as placas. Portanto, seu assentamento (queda) pode ser interrompido se a placa inferior estiver carregada negativamente e a superior positivamente. Assim o fizeram, alcançando o equilíbrio de uma partícula de poeira (gotícula), que foi observada ao microscópio. 
Em seguida, a carga das partículas de poeira (gotículas) foi reduzida expondo-as à radiação ultravioleta ou de raios-X. Partículas de poeira (gotas) começaram a cair, à medida que a força elétrica de suporte diminuía. Ao conferir uma carga adicional às placas de metal e, assim, fortalecer o campo elétrico, a partícula de poeira foi novamente interrompida. Isso foi feito várias vezes, cada vez usando uma fórmula especial para calcular a carga das partículas de poeira.
Os experimentos de Millikan e Ioffe mostraram que as cargas de gotas e partículas de poeira sempre mudam gradualmente. A "porção" mínima de carga elétrica é uma carga elétrica elementar igual a e = 1,6 10-19 C. No entanto, a carga de um grão de poeira não sai sozinha, mas junto com uma partícula de matéria. Consequentemente, na natureza existe uma partícula de matéria que possui a menor carga, então já indivisível - a carga de um elétron. Graças aos experimentos de Ioffe-Milliken, a existência do elétron passou de uma hipótese a um fato cientificamente confirmado.
Atualmente, há informações sobre a existência de partículas elementares (quarks) com cargas elétricas fracionárias iguais a 1/Ze e 2/Ze. Entretanto, a carga elétrica de qualquer corpo é sempre um múltiplo inteiro da carga elétrica elementar; outras "porções" de carga elétrica, capazes de passar de um corpo a outro, ainda não foram detectadas experimentalmente na natureza.
Uma das constantes fundamentais da física é a carga elétrica elementar. Esta é uma quantidade escalar que caracteriza a capacidade dos corpos físicos de participar da interação eletromagnética.
A carga elétrica elementar é considerada a menor carga positiva ou negativa que não pode ser dividida. Seu valor é igual ao valor da carga do elétron.
O fato de que qualquer carga elétrica natural é sempre igual a um número inteiro de cargas elementares foi sugerido em 1752 pelo famoso político Benjamin Franklin, um político e diplomata que também estava envolvido em atividades científicas e inventivas, o primeiro americano que se tornou membro da Academia Russa de Ciências.
Benjamin Franklin
Se a suposição de Franklin estiver correta, e a carga elétrica de qualquer corpo carregado ou sistema de corpos consistir em um número inteiro de cargas elementares, então essa carga pode mudar abruptamente por um valor contendo um número inteiro de cargas eletrônicas.
Pela primeira vez, isso foi confirmado e determinado com bastante precisão por um cientista americano, professor da Universidade de Chicago, Robert Milliken.
Experiência de Millikan
Esquema do experimento de Millikan
Millikan fez seu primeiro experimento famoso de gota de óleo em 1909 com seu assistente Harvey Fletcher. Eles dizem que a princípio planejavam fazer o experimento com a ajuda de gotas de água, mas evaporaram em poucos segundos, o que claramente não foi suficiente para obter um resultado. Então Milliken mandou Fletcher à farmácia, onde comprou um borrifador e um frasco de óleo de relógio. Isso foi o suficiente para tornar a experiência um sucesso. Posteriormente, Milliken recebeu o Prêmio Nobel por isso, e Fletcher recebeu um doutorado.
Robert Milliken
Harvey Fletcher
O que foi o experimento de Millikan?
Uma gota de óleo eletrificada cai sob a influência da gravidade entre duas placas de metal. Mas se um campo elétrico for criado entre eles, isso impedirá que a gota caia. Medindo a força do campo elétrico, pode-se determinar a carga da gota.
Os experimentadores colocaram duas placas de metal do capacitor dentro do recipiente. As menores gotas de óleo foram introduzidas ali com a ajuda de uma pistola de pulverização, que foram carregadas negativamente durante a pulverização como resultado de seu atrito com o ar.
Na ausência de um campo elétrico, a gota cai
Sob a ação da gravidade F w = mg, as gotas começaram a cair. Mas como eles não estavam no vácuo, mas em um meio, então a força da resistência do ar os impediu de cair livremente. Fres = 6πη RV 0 , Onde η é a viscosidade do ar. Quando Fw e F res equilibrada, a queda tornou-se uniforme com uma velocidade v0 . Ao medir essa velocidade, o cientista determinou o raio da queda.
Uma gota "flutua" sob a influência de um campo elétrico
Se no momento em que a gota caísse, a tensão fosse aplicada às placas de tal forma que a placa superior recebesse uma carga positiva e a inferior uma negativa, a gota parava. Ele foi impedido pelo campo elétrico emergente. As gotas pareciam flutuar. Isso aconteceu quando o poder F r equilibrado pela força que atua do campo elétrico F r = eE ,
Onde F r- a força resultante da gravidade e a força de Arquimedes.
F r = 4/3 pr 3 ( ρ – ρ 0) g
ρ é a densidade da gota de óleo;
ρ 0 – densidade do ar.
r é o raio da gota.
Conhecendo F r e E , é possível determinar o valor e .
Como era muito difícil garantir que a gota permanecesse estacionária por muito tempo, Milliken e Fletcher criaram um campo no qual a gota, após parar, começou a se mover para cima em velocidade muito baixa. v . Nesse caso
Os experimentos foram repetidos muitas vezes. As cargas foram transmitidas às gotículas irradiando-as com um dispositivo de raios X ou ultravioleta. Mas todas as vezes a carga total da gota era sempre igual a várias cargas elementares.
Em 1911, Milliken descobriu que a carga de um elétron é 1,5924(17) x 10 -19 C. O cientista estava errado por apenas 1%. Seu valor moderno é 1,602176487 (10) x 10 -19 C.
Experiência Ioffe
Abram Fedorovich Ioffe
Deve-se dizer que quase simultaneamente com Millikan, mas independentemente dele, tais experimentos foram realizados pelo físico russo Abram Fedorovich Ioffe. E sua configuração experimental era semelhante à de Millikan. Mas o ar foi bombeado para fora do recipiente e um vácuo foi criado nele. E em vez de gotículas de óleo, Ioffe usou pequenas partículas carregadas de zinco. Seu movimento foi observado sob um microscópio.
Instalação Ioffe
1- um tubo
2 câmeras
3 - placas de metal
4 - microscópio
5 - emissor ultravioleta
Sob a ação de um campo eletrostático, um grão de zinco caiu. Assim que a gravidade do grão de poeira tornou-se igual à força que o campo elétrico atuava sobre ele, a queda parou. Enquanto a carga da partícula de poeira não mudasse, ela continuava a ficar imóvel. Mas se fosse exposto à luz ultravioleta, sua carga diminuiria e o equilíbrio seria perturbado. Ela começou a cair novamente. Em seguida, a quantidade de carga nas placas foi aumentada. Assim, o campo elétrico aumentou e a queda parou novamente. Isso foi feito várias vezes. Como resultado, descobriu-se que a cada vez a carga de uma partícula de poeira mudava por um múltiplo da carga de uma partícula elementar.
Ioffe não calculou a magnitude da carga desta partícula. Mas, tendo conduzido um experimento semelhante em 1925, junto com o físico N.I. Dobronravov, tendo modificado ligeiramente a planta piloto e usando partículas de pó de bismuto em vez de zinco, ele confirmou a teoria
Preparado por um aluno do grau 11-A KOSH No. 125 Konovalova Kristina
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A experiência de Ioffe - Millikan Abram Fedorovich Ioffe Robert AndrewsMilliken
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Experiência Ioffe-Miliken
No final do século 19, em vários experimentos muito diversos, foi estabelecido que existe um certo portador de uma carga negativa, que foi chamado de elétron. No entanto, esta era na verdade uma unidade hipotética, uma vez que, apesar da abundância de material prático, nenhum experimento envolvendo um único elétron foi realizado. Não se sabia se existem variedades de elétrons para diferentes substâncias ou se é sempre o mesmo, qual carga um elétron carrega, se uma carga pode existir separadamente de uma partícula. Em geral, havia debates acalorados sobre o elétron na comunidade científica, e não havia base prática suficiente que parasse inequivocamente todos os debates.
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A figura mostra um diagrama da instalação usada no experimento por A. F. Ioffe. Em um recipiente fechado, do qual o ar era evacuado para alto vácuo, havia duas placas de metal P colocadas horizontalmente. Da câmara A, através do orifício O, para o espaço entre as placas, pequenas partículas de poeira carregadas de zinco chegaram. Essas partículas de poeira foram observadas ao microscópio.
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Assim, partículas e gotículas de poeira carregadas no vácuo cairão da placa superior para a inferior, mas esse processo pode ser interrompido se a placa superior estiver carregada positivamente e a placa inferior estiver carregada negativamente. O campo elétrico resultante atuará por forças Coulombianas sobre as partículas carregadas, impedindo-as de cair. Ao ajustar a quantidade de carga, eles garantiram que as partículas de poeira pairassem no meio entre as placas. Em seguida, a carga de partículas ou gotas de poeira foi reduzida irradiando-as com raios-X ou luz ultravioleta. Perdendo a carga, as partículas de poeira começaram a cair novamente, foram novamente paradas ajustando a carga das placas. Esse processo foi repetido várias vezes, calculando a carga de gotas e partículas de poeira usando fórmulas especiais. Como resultado desses estudos, foi possível estabelecer que a carga das partículas ou gotas de poeira sempre mudava em saltos, por um valor estritamente definido, ou por um tamanho múltiplo desse valor.
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Abram Fedorovich Ioffe
Abram Fedorovich Ioffe é um físico russo que fez muitas descobertas fundamentais e conduziu uma enorme quantidade de pesquisas, inclusive no campo da eletrônica. Ele realizou pesquisas sobre as propriedades de materiais semicondutores, descobriu a propriedade retificadora da transição metal-dielétrico, que mais tarde foi explicada usando a teoria do efeito túnel, sugeriu a possibilidade de converter luz em corrente elétrica.
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Abram Fedorovich nasceu em 14 de outubro de 1980 na cidade de Romny, província de Poltava (atual região de Poltava, Ucrânia) na família de um comerciante. Como o pai de Abrão era um homem bastante rico, ele não se limitou a dar uma boa educação ao filho. Em 1897, Ioffe recebeu sua educação secundária em uma escola real em sua cidade natal. Em 1902 graduou-se no Instituto de Tecnologia de São Petersburgo e ingressou na Universidade de Munique, na Alemanha. Em Munique, ele trabalha sob a direção do próprio Wilhelm Conrad Roentgen. Wilhelm Conrad, vendo a diligência e não o talento do aluno, está tentando convencer Abram a ficar em Munique e continuar seu trabalho científico, mas Ioffe acabou sendo um patriota de seu país. Depois de se formar na universidade em 1906, tendo recebido o grau de Doutor em Filosofia, ele retornou à Rússia.
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Na Rússia, Ioffe consegue um emprego no Instituto Politécnico. Em 1911, ele determina experimentalmente a magnitude da carga do elétron usando o mesmo método de Robert Milliken (partículas de metal eram equilibradas em campos elétricos e gravitacionais). Pelo fato de Ioffe ter publicado seu trabalho apenas dois anos depois, a glória de descobrir a medida da carga do elétron coube ao físico americano. Além de determinar a carga, Ioffe provou a realidade da existência de elétrons independentemente da matéria, investigou o efeito magnético do fluxo de elétrons e provou a natureza estática da emissão de elétrons durante um efeito fotoelétrico externo.
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Em 1913, Abram Fedorovich defendeu seu mestrado e dois anos depois sua tese de doutorado em física, que era o estudo das propriedades elásticas e elétricas do quartzo. No período de 1916 a 1923, ele estudou ativamente o mecanismo de condutividade elétrica de vários cristais. Em 1923, foi por iniciativa de Ioffe que começou a pesquisa fundamental e o estudo das propriedades de materiais completamente novos na época - semicondutores. O primeiro trabalho nesta área foi realizado com a participação direta de um físico russo e dizia respeito à análise de fenômenos elétricos entre um semicondutor e um metal. Ele descobriu a propriedade retificadora da transição metal-semicondutor, que foi comprovada apenas 40 anos depois usando a teoria do efeito túnel.
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Investigando o efeito fotoelétrico em semicondutores, Ioffe expressou na época uma ideia bastante ousada de que seria possível converter energia luminosa em corrente elétrica de maneira semelhante. Isso se tornou um pré-requisito no futuro para a criação de geradores fotoelétricos e, em particular, conversores de silício, posteriormente usados como parte de baterias solares. Junto com seus alunos, Abram Fedorovich cria um sistema de classificação de semicondutores, bem como um método para determinar suas propriedades elétricas e físicas básicas. Em particular, o estudo de suas propriedades termoelétricas posteriormente se tornou a base para a criação de refrigeradores termoelétricos semicondutores, amplamente utilizados em todo o mundo nas áreas de eletrônica de rádio, instrumentação e biologia espacial.
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Abram Fedorovich Ioffe fez uma enorme contribuição para a formação e desenvolvimento da física e da eletrônica. Ele foi membro de muitas Academias de Ciências (Berlim e Goetingen, americana, italiana), bem como membro honorário de muitas universidades ao redor do mundo. Ele recebeu vários prêmios por suas realizações e pesquisas. Abram Fedorovich morreu em 14 de outubro de 1960.
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Milliken Robert Andrus
O físico americano Robert Milliken nasceu em Morrison (Illinois) em 22 de março de 1868 na família de um padre. Depois de terminar o colegial, Robert entra no Oberlin College, em Ohio. Lá, seus interesses estavam focados em matemática e grego antigo. Para ganhar dinheiro, ele expôs física na faculdade por dois anos. 1891 Millikan recebeu seu diploma de bacharel e 1893 seu mestrado em física.
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Na Universidade de Columbia, Milliken estudou sob a orientação do famoso físico M.I. Pupin. Ele passou um verão na Universidade de Chicago, onde trabalhou com o famoso físico experimental Albert Abraham Michelson.
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Em 1895, defendeu sua tese de doutorado na Universidade de Columbia sobre o estudo da polarização da luz. Milliken passou o ano seguinte na Europa, onde se encontrou com Henri Becquerel, Max Planck, Walter Nernst, A. Poincaré.
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1896 Millikan retornou à Universidade de Chicago, onde se tornou assistente de Michelson. Nos doze anos seguintes, Milliken escreveu vários livros didáticos de física que foram aceitos como livros didáticos para faculdades e escolas secundárias (com acréscimos, permaneceram assim por mais de 50 anos). 1910 Millikan foi nomeado professor de física.
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Robert Milliken desenvolveu o método da gota, que tornou possível medir a carga de elétrons e prótons individuais (1910 - 1914), um grande número de experimentos sobre o cálculo exato da carga do elétron. Assim, ele provou experimentalmente a discrição da carga elétrica e pela primeira vez determinou com precisão seu valor (4,774 * 10^-10 unidades eletrostáticas). Ele verificou a equação de Einstein para o efeito fotoelétrico na região dos raios visíveis e ultravioleta e determinou a constante de Planck (1914).
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1921 Milliken foi nomeado diretor do novo Bridgesive Physical Laboratory e presidente do comitê executivo do Instituto de Tecnologia da Califórnia. Aqui ele realizou uma grande série de estudos de raios cósmicos, em particular experimentos (1921 - 1922) com feixes de ar com eletroscópios de auto-gravação em altitudes de 15.500 m. ".
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Durante 1925-1927. Millikan demonstrou que o efeito ionizante da radiação cósmica diminui com a profundidade e confirmou a origem extraterrestre desses "raios cósmicos". Explorando as trajetórias de partículas cósmicas, ele revelou partículas alfa, elétrons rápidos, prótons, nêutrons, pósitrons e gama quanta neles. Independentemente de Vernov, descobriu o efeito latitudinal dos raios cósmicos na estratosfera.
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