Миликанов експеримент

Миликанов експеримент је експеримент у којем је Р. А. Миликан (1909) помоћу капљица уља распршених у хомогеном електричном пољу одредио елементарни електрични набој. Апаратура експеримента састоји се од две коморе које се налазе једна на другој. Дно и врх доње коморе спојени су на извор електричног напона и чине електрични кондензатор. Простор између плоча кондензатора може се обасјати рендгенским зрачењем. Распршивач уља убацује лагану маглу ситних уљних капљица у горњу комору. Неке од капљица кроз кружни отвор падају у доњу комору и улазе у хомогено електрично поље кондензатора. Ту уз помоћу рендгенскога зрачења бивају негативно јонизоване. Електрично поље делује на капљице уља према горе интензитетом који зависи од тога колико су наелектрисане. Миликан је помоћу микроскопа мерио запремине капљица и посматрао њихово кретање. Мењајући електрични напон на плочама кондензатора могао је да промени брзину кретања капљица и да их заустави.

Апаратура за Миликанов експеримент.

Отворена апаратура за Миликанов експеримент.

Миликанова апаратура за експеримент одређивања електричног набоја наелектрисаних капљица уља у електричном пољу.

Скица из оригиналних Миликанових белешки (1913).

Микроскоп кориштен у Миликановом експерименту.

Модерна апаратура за Миликанов експеримент.

Када капљица уља лебди у електричном пољу, све су силе које делују на њу у равнотежи:

$F_{el}+F_{uz}=F_{g}$

где је: F_el = (Q∙U)/d - електрична сила, F_uz = ρ_zraka∙g∙V - узгон, F_g = m∙g = ρ_ulja∙g∙V - гравитација на површини Земље, Q - електрични набој на капљицама уља, U - електрични напон између кондензаторских плоча, d - размак између кондензаторских плоча, ρ_зрака - густина ваздуха, ρ_уља - густина уља, g - гравитационо убрзање, V - запремина капљице. Набој капљице уља може се израчунати:

$Q={\frac {V\cdot g\cdot d\cdot (\rho _{ulja}-\rho _{vazduha})}{U}}\$

Миликан је након четири године мерења и унапређивања експеримента спознао да се електрични набој на капљицама мења скоковито и да је електрични набој сваке капљице уља умножак природнога броја N и највеће заједничке мере електричнога набоја e_M = 1,592 · 10^–19 C (Миликанов елементарни набој) : Q = N_eM. Миликанов износ елементарног набоја је за 1% мањи од савремено измерене вредности (1,602 · 10^–19 C).

Атомизам електрицитета

Прихватање атомистичке хипотезе нужно је довело до замисли да се и електрицитет мора састојати од одређених сићушних делова. Атомистичка структура електрицитета први пут се очитовала у електролитским појавама.

Познато је да је чиста вода врло слаб проводник електричне струје. Међутим ако се у њој раствори нека со или киселина, тада је раствор врло добар електрични проводник. Електричне струје у растворима повезане су са хемијским растварањем соли или киселине. Док тече струја између негативно наелектрисане катоде и позитивно наелектрисане аноде, које су уроњене у течност, на катоди и аноди излучују се компоненте које сачињавају со или киселину. Тако код електролизе кухињске соли NaCl, натријум одлази ка катоди, а хлор ка аноди. За разумевање електролитских појава важно је опажање да електричне струје теку кроз раствор већ на најмањем електричном напону између катоде и аноде. Одатле произлази да молекули соли и киселина морају већ унапред бити растављени на позитивне и негативне делове. Када се укључи неки електрични напон, он само преноси позитивне честице према катоди, а негативне према аноди. Наелектрисани делови молекула који се крећу раствором зову се Аренијусови јони. То могу бити и атоми, као што је то случај код електролизе кухињске соли, или групе атома.

Фарадеј је експерименталним испитивањима 1832. године утврдио основне законе електролизе, који објашњени преко атома, кажу да исти број атома једновалентних елемената носи са собом једнаку количину електрицитета. Потребна је иста количина електрицитета да се из раствора излучи 1 грам водоника (H), 23 грама натријума (Na), 35,5 грама хлора (Cl) и 197,2 грама злата (Au). Међутим те се количине односе заиста као атомске тежине тих хемијских елемената. Фарадајева константа, то јест количина електрицитета коју преноси Авогадров број атома, једнака је:

$F=96\,485,332\,12\,{\frac {\mathrm {C} }{\mathrm {mol} }}$

Тај се резултат експеримента може најбоље протумачити претпоставком да на сваки атом долази јединична количина електрицитета. Та темељна количина електрицитета помножена Авогадровим бројем N_A једнака је тада Фарадајевој константи:

$F\,=\,e\cdot N_{A}$

Одатле се добија да је најмањи електрични набој једнак е = 1,602 176 634 × 10⁻¹⁹ C. Ту основну количину електрицитета први је увео Џорџ Стони. Она је основна константа физике и електрохемије.

Јони могу бити позитивно и негативно нелектрисани. Њихов најмањи електрични набој може бити + е или - е. Међутим поред тога могу јони често имати и набој 2∙е, 3∙е, и тако даље. Електрицитет се појављује увек као цели број Стонијеве елементарне количине набоја. Електрицитет се уочава по силама која владају између наелектрисаних тела. Трење је најпознатији начин наелектрисавања. Анализа сила које владају између тела у таквом стању непосредно доводи до претпоставке о електричном набоју и електричном пољу.

Р. А. Миликан је пронашао тачну методу по којој се могу испитивати силе на сасвим сићушним честицама материје. Парафинско уље распрши се у ситне, тек микроскопски видљиве капљице. Свака капљица понесе са собом одређену количину електрицитета. Те капљице стављају се између плоча електричног кондензатора. Ако саме плоче нису наелектирсане, капљице падају према доле. На њих делује сила теже. Ако се плоче наелектришу, капљице уља престају да једнолико падају. Неке се почињу дизати, друге падају спорије или брже. Очито је да је електрично стање које потиче од наелектрисаних плоча кондензатора једнако у читавом простору кондензатора. Будући да на капљице делују различите силе, оне се морају међу собом разликовати својим властитим електричним стањем. Капљице уља имају различити електрични набој, па зато на њих делују слабије или јаче електричне силе. Сила на сваку капљицу може се приказати као умножак два чиниоца: први је чинилац електрични набој капљице, други је чинилац одређен природом кондензатора - то је електрично поље кондензатора. Ова два чиниоца су независна, што се види се кад се појачава или ослабљује електрични набој кондензатора. Тада сила на све капљице уља расте или пада за исти чинилац. Електрични набој се означава са е, а електрично поље са Е, те се сила F можемо изразити у облику:

$\mathbf {F} =e\cdot \mathbf {E}$

Ако се стави набој е једнак 1, тад је износ силе једнак пољу Е. Електрично поље, према томе, једнако је сили на јединицу позитивног електричног набоја. У кондензатору који стоји водоравно, електрично поље има смер према горе или према доле, већ према томе да ли горња плоча кондензатора има негативан или позитиван набој. Смер електричног поља даје сила на позитивном набоју. Као позитиван набој узет је набој натрљаног стакленог штапа, којим се на пример може наелектрисати горња плоча кондензатора.

Да се капљицама уља мора приписати позитиван или негативан набој, види се из тога што неке бивају у кондензатору убрзане према горе, неке према доље. Ако је горња плоча кондензатора наелектрисана позитивно, а доња негативно, тада електрично поље има смер према доле. Оно, дакле, позитивно наелектрисане капљице уља убрзава према доле, а негативно наелектисане капљице диже према горе.

Миликанов експеримент служи за тачно одређивање набоја. Ако се посматра нека наелектрисана капљица између плоча кондензатора. Под утицајем силе теже она пада доле. Електрични набој се може тако мењати да електрична сила држи равнотежу сили тежи. Поље кондензатора вуче капљицу силом e∙E према горе, а сила m∙g према доле. У случају да капљица лебди слободно, важи једначина равнотеже:

$m\cdot g=e\cdot E$

Маса капљица уља је позната јер се зна густина уља и пречник капљица, а електрично поље се може лако мерити. Из горње једначине се може израчунати електрични набој капљица уља. Миликан је нашао да је електрични набој капљице увек једнак целом броју Стонијевог елементарног набоја. Обасјавајући зрацима, може се сасвим мало мењати набој. Тада се опажа да таква промена износи увек најмање једну елементарну количину набоја, или две, три, и тако даље. Тиме су Миликанови експерименти недвосмислено утврдили атомску структуру електрицитета.

Анализа електричних сила доводи до закључка да у електричним појавама постоје два различита чиниоца: електрични набој и електрично поље. Електрични набој јавља се као својство честица, а електрично поље се уочава у простору око електричних тела, дакле, око електричних набоја. Ако неки електрични набој дође у простор, где влада неко електрично поље, он бива убрзан или успорен. Сила се може приказати као умножак електричног набоја и спољашњег електричног поља. Веза између набоја и поља је једноставна.

Поред електричних поља потребно је увести и електрични напон U. Кад се покреће неки електрични набој у електричном пољу, врши се механички рад. Ако се узме на пример да се позитивни набој помера од негативне до позитивне плоче кондензатора. На набој делује сила e∙E, па се при помаку d врши рад e∙E∙d. Електрични напон кондензатора U једнак је раду јединичног набоја на путу од једне плоче до друге:

$U=E\cdot d$

У пракси се обично зна електрични напон између плоча кондензатора. Електрично поље се може тада прорачунати:

$E={\frac {U}{d}}\$

При датом напону, на пример напона електричних водова мреже, електрично поље је то јаче, што су плоче кондензатора ближе.

Подесно је увести и електрични напон између било које две тачке у простору где влада електрично поље. Електрични напон између две тачке једнак је генерално раду који се врши кад се јединични позитивни набој помери од једне тачке до друге. Ако се узме специјално једна тачку или нека површина као стална (на пример тло или нека металну плоча или бескрајно далека тачка), то је електрични напон функција од друге тачке простора. Тако схваћен електрични напон зваће се електричним потенцијалом и том потенцијалу може се доделити вредност нула у чврстој тачци или на чврстој плочи. Потенцијал се означва словом V. У свакој тачки простора електрични набој e има потенцијалну енергију e∙V. Мерна јединица електричног напона је 1 волт (V).

Литература

• Серwаy, Раyмонд А.; Фаугхн, Јеррy С. (2006). Холт: Пхyсицс. Холт, Ринехарт анд Wинстон. ИСБН 0-03-073548-3. 
• Тхорнтон, Степхен Т.; Реx, Андреw (2006). Модерн Пхyсицс фор Сциентистс анд Енгинеерс (3рд изд.). Броокс/Цоле. ИСБН 0-495-12514-8. 
• Серwаy, Раyмонд А.; Јеwетт, Јохн W. (2004). Пхyсицс фор Сциентистс анд Енгинеерс (6тх изд.). Броокс/Цоле. ИСБН 0-534-40842-7. 
• Милликан Р. А. (1913). „Он тхе елементарy елецтрицал цхарге анд тхе Авогадро цонстант” (ПДФ). Пхyсицал Ревиеw. Сериес II. 2 (2): 109–143. Бибцоде:1913ПхРв....2..109М. дои:10.1103/ПхyсРев.2.109. Архивирано из оригинала (ПДФ) 20. 06. 2015. г. Приступљено 23. 06. 2019.  Папер бy Милликан дисцуссинг модифицатионс то хис оригинал еxперимент то импрове итс аццурацy.
• Худспетх, Паул (2000). „А сеарцх фор фрее qуаркс ин тхе мицро гравитy енвиронмент оф тхе Интернатионал Спаце Статион”. АИП Цонференце Процеедингс. 504: 715—722. дои:10.1063/1.1302567.  А вариатион оф тхис еxперимент хас беен суггестед фор тхе Интернатионал Спаце Статион.
• Перрy, Мицхаел Ф. (2007). „Ремемберинг тхе оил-дроп еxперимент” (ПДФ). Пхyсицс Тодаy. 60 (5): 56—60. дои:10.1063/1.2743125. Архивирано из оригинала (ПДФ) 03. 03. 2016. г. Приступљено 23. 06. 2019. 

Спољашње везе

• Simulation of the oil drop experiment (requires JavaScript)
• Thomsen, Marshall, "Good to the Last Drop". Millikan Stories as "Canned" Pedagogy. Eastern Michigan University.
• CSR/TSGC Team, "Quark search experiment Архивирано на сајту Wayback Machine (11. март 2007)". The University of Texas at Austin.
• The oil drop experiment appears in a list of Science's 10 Most Beautiful Experiments [2], originally published in the New York Times.
• Engeness, T.E., "The Millikan Oil Drop Experiment". 25 April 2005.