Измерение электрического заряда. Опыт Милликена

Измерение электрического заряда. Опыт Милликена

Одна из фундаментальных постоянных в физике – элементарный электрический заряд. Это скалярная величина, характеризующая способность физических тел принимать участие в электромагнитном взаимодействии.

Элементарным электрическим зарядом принято считать наименьший положительный или отрицательный заряд, который невозможно разделить. Его величина равна величине заряда электрона.

То, что любой встречающийся в природе электрический заряд всегда равен целому числу элементарных зарядов, в 1752 г. предположил известный политический деятель Бенджамин Франклин, политик и дипломат, занимавшийся ещё и научной и изобретательской деятельностью, первый американец, который стал членом Российской академии наук.

Измерение электрического заряда. Опыт Милликена

Бенджамин Франклин

Если предположение Франклина верно, и электрический заряд любого заряженного тела или системы тел состоит из целого числа элементарных зарядов, то этот заряд может изменяться скачкообразно на величину, содержащую целое число зарядов электрона.

Впервые это удалось подтвердить и довольно точно определить заряд электрона опытным путём американскому учёному, профессору Чикагского университета, Роберту Милликену.

Опыт Милликена

Измерение электрического заряда. Опыт Милликена

Схема опыта Милликена

Свой первый знаменитый опыт с каплями масла Милликен провёл в 1909 г. вместе со своим помощником Харви Флетчером. Говорят, что вначале опыт планировали делать с помощью капель воды, но они испарились за несколько секунд, чего оказалось явно мало, чтобы получить результат. Тогда Милликен отправил Флэтчера в аптеку, где тот приобрёл пульверизатор и пузырёк масла для часов. Этого оказалось достаточно, чтобы опыт удался. Впоследствии Милликен получил за него Нобелевскую премию, а Флэтчер докторскую степень.

Измерение электрического заряда. Опыт Милликена

Роберт Милликен

Измерение электрического заряда. Опыт Милликена

Харви Флетчер

В чём же заключался эксперимент Милликена?

Наэлектризованная капелька масла под воздействием силы тяжести падает вниз между двумя металлическими пластинами. Но если между ними создать электрическое поле, то оно удержит капельку от падения. Измерив силу электрического поля, можно определить заряд капли.

Две металлические пластины конденсатора экспериментаторы расположили внутри сосуда. Туда же с помощью пульверизатора вводились мельчайшие капельки масла, которые заряжались отрицательно во время разбрызгивания в результате их трения о воздух.

Измерение электрического заряда. Опыт Милликена

В отсутствии электрического поля капелька падает

Под действием силы тяжести Fw  = mg капельки начинали падать вниз. Но так они находилась не в вакууме, а в среде, то свободно падать им мешала сила сопротивления воздуха Fres = 6πηrv0, где η – вязкость воздуха. Когда Fw  и Fres  уравновешивались, падение становилось равномерным со скоростью v0. Измерив эту скорость, учёный определил радиус капли.

Измерение электрического заряда. Опыт Милликена

Капелька "парит" под действием электрического поля

Если в момент падения капельки на пластины подавалось напряжение таким образом, что верхняя пластина получала положительный заряд, а нижняя отрицательный, падение прекращалось. Ему препятствовало возникшее электрическое поле. Капельки словно зависали. Это происходило, когда сила Fr  уравновешивалась силой, действующей со стороны электрического поля Fr = eE,

где Fr результирующая силы тяжести и силы Архимеда.

 Fr = 4/3·πr3(ρ – ρ0)g

ρ - плотность капли масла;

ρ0плотность воздуха.

r – радиус капли.

Зная Fr и E, можно определить величину e.

Так как добиться того, чтобы капелька долго оставалась в неподвижном состоянии, было очень сложно, то Милликен и Флетчер создавали такое поле, в котором капелька после остановки начинала двигаться вверх с очень малой скоростью v. В этом случае

Измерение электрического заряда. Опыт Милликена

Измерение электрического заряда. Опыт Милликена 

Отсюда

Измерение электрического заряда. Опыт Милликена

Опыты повторялись многократно. Заряды капелькам сообщали, облучая их рентгеновской или ультрафиолетовой установкой. Но всякий раз общий заряд капли всегда был равен нескольким элементарным зарядам.

В 1911 г. Милликен установил, что величина заряда электрона равна 1,5924(17) х 10-19 Кл. Учёный ошибся всего на 1%. Современное его значение составляет 1,602176487(10) х 10-19 Кл.

Опыт Иоффе

Измерение электрического заряда. Опыт Милликена

Абрам Фёдорович Иоффе

Нужно сказать, что практически одновременно с Милликеном, но независимо от него, подобные опыты проводил русский физик Абрам Федорович Иоффе. И его экспериментальная установка была похожа на установку Милликена. Но из сосуда откачивался воздух, и в нём создавался вакуум. А вместо капелек масла Иоффе использовал мелкие заряженные частички цинка. За их движением наблюдали в микроскоп.

Измерение электрического заряда. Опыт Милликена

Установка Иоффе

1- трубка

2- камера

3 - металлические пластины

4 - микроскоп

5 - ультрафиолетовый излучатель 

Под действие электростатического поля пылинка цинка совершала падение. Как только сила тяжести пылинки становилась равна силе, действующей на неё со стороны электрического поля, падение прекращалось.  Пока заряд пылинки не менялся, она продолжала висеть неподвижно. Но если на неё воздействовали ультрафиолетовым светом, то её заряд уменьшался, и равновесие нарушалось. Она снова начинала падать. Тогда увеличивали величину заряда на пластинах. Соответственно увеличивалось электрическое поле, и падение снова останавливалось. Так делали несколько раз. В результате выяснили, что каждый раз заряд пылинки изменялся на величину, кратную величине заряда элементарной частицы.

Величину заряда этой частицы Иоффе не рассчитал. Но, проведя подобный опыт в 1925 г. вместе с физиком Н.И. Добронравовым, несколько видоизменив опытную установку и использовав вместо цинка пылинки висмута, он подтвердил теорию фотоэффекта.