Árið 1909 gerði bandaríski eðlisfræðingurinn Robert Andrews Millikan (1868-1953) tilraun í þeim tilgangi að ákvarða rafhleðslurafeindar. Hann uppgötvaði um leið að sú hleðsla væri smæsta eining hleðslu, það er að segja að hleðslur væru skammtaðar. Það þýðir að sérhver rafhleðsla er heilt margfeldi af einingarhleðslunni. Millikan hlaut Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði árið 1923 fyrir þessa uppgötvun.
Millikan setti rafhleðslur á litla olíudropa og mældi hversu sterkt rafsvið þurfti til að koma í veg fyrir að einstakir dropar féllu niður á við vegna þyngdarinnar. Massi olíudropans var þekktur og þar með þyngdarkrafturinn sem verkaði á hann. Þannig gat Millikan fundið út rafhleðsluna sem dropinn varð að hafa til að vega upp á móti þyngdarkraftinum. Með því að hafa mismunandi hleðslu á ólíkum dropum, tók hann eftir því að hleðslan var alltaf margfeldi af sömu grunnhleðslu:$$e=1,6\cdot 10^{-19}C$$ en það er hleðsla einnar rafeindar. Þetta þýddi að það voru rafeindirnar sem geymdu þessa einingarhleðslu. (Bókstafurinn C táknar hér hleðslueininguna Coulomb, sem er eining metrakerfisins um rafhleðslu).
Á myndinni hér fyrir neðan sést uppsetning tækjanna.
Olíudropatilraun Millikans.
Úðari sprautaði örfínum olíudropum inn í hólfið. Sumir þessara agnarsmáu dropa féllu í gegnum gat á efri plötunni í hólfinu. Loftmótstaðan veldur því að þeir ná smám saman tilteknum lokahraða sem ákvarðast af massa hvers dropa um sig. Millikan lét dropana fyrst falla þar til þeir náðu þessum hraða. Hann mældi lokahraðann með smásjá og gat þá reiknað út massa hvers olíudropa.
Því næst setti Millikan hleðslu á fallandi dropana með því að lýsa upp botn hólfsins með röntgengeislum. Þetta olli því að loftið í hólfinu jónaðist og droparnir drógu til sín rafeindir. Með því að tengja rafhlöður við efri plötu hólfsins og botnplötuna, gat hann myndað rafspennu yfir hólfið og rafsvið inni í því. Rafsviðið átti að hafa áhrif á hlöðnu olíudropana og ef rafspennan var nákvæmlega rétt mundi rafsegulkrafturinn vega upp á móti þyngdarkraftinum sem verkaði á dropann og hann mundi þá staðnæmast í lausu lofti.
Lesendur geta sjálfir prófað að framkvæma tilraun Millikans hérna. Látið fyrst dropana falla og takið eftir því hvernig þeir auka hraða sinn vegna þyngdarhröðunar. Fljótlega veldur loftmótstaða því að þeir ná lokahraða. Nú skal fylgjast með einum fallandi dropa og auka rafsviðið þar til hann stöðvast í loftinu. Á þeirri stundu jafngildir rafkrafturinn nákvæmlega þyngdarkraftinum sem verkar á þann dropa. Sumir dropar hafa fleiri rafeindir en aðrir og þurfa þess vegna enn hærri spennu til að stöðvast en jafnvel þyngstu droparnir.
Þegar dropi er kyrr í loftinu er þyngd hans, $m\cdot g$, nákvæmlega jafn rafkraftinum, $q\cdot e$. Gildi rafsviðsins $E$, massa dropans $m$ og þyngdarhröðunarinnar $g$ eru öll þekkt. Þannig er hægt að finna út hleðslu dropans $q$.
Með því að framkvæma tilraunina margsinnis með mismiklum styrk röntgengeisla og finna hleðslu dropa í hvert skipti fann Millikan út mörg ólík gildi á $q$. Í ljós kom að öll gildi $q$ voru heilt margfeldi af einingarhleðslunni, $e=1,6\cdot 10^{-19}C$.
Þetta var talan sem Millikan var að leita að og hún sýndi að hleðslur væru skammtaðar og minnsta hleðslan væri hleðsla einnar rafeindar.
Heimildir og myndir:
Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.
Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar
um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að
svara öllum spurningum.
Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að
svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki
nægileg deili á sér.
Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.
Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!
Sólin
Rís 05:40 • sest 21:16
Tunglið
Rís 15:13 • Sest 05:59
Flóð
Árdegis: 03:57 • Síðdegis: 16:31
Fjara
Árdegis: 10:23 • Síðdegis: 22:34
Árið 1909 gerði bandaríski eðlisfræðingurinn Robert Andrews Millikan (1868-1953) tilraun í þeim tilgangi að ákvarða rafhleðslu rafeindar. Hann uppgötvaði um leið að sú hleðsla væri smæsta eining hleðslu, það er að segja að hleðslur væru skammtaðar. Það þýðir að sérhver rafhleðsla er heilt margfeldi af einingarhleðslunni. Millikan hlaut Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði árið 1923 fyrir þessa uppgötvun.
Millikan setti rafhleðslur á litla olíudropa og mældi hversu sterkt rafsvið þurfti til að koma í veg fyrir að einstakir dropar féllu niður á við vegna þyngdarinnar. Massi olíudropans var þekktur og þar með þyngdarkrafturinn sem verkaði á hann. Þannig gat Millikan fundið út rafhleðsluna sem dropinn varð að hafa til að vega upp á móti þyngdarkraftinum. Með því að hafa mismunandi hleðslu á ólíkum dropum, tók hann eftir því að hleðslan var alltaf margfeldi af sömu grunnhleðslu:$$e=1,6\cdot 10^{-19}C$$ en það er hleðsla einnar rafeindar. Þetta þýddi að það voru rafeindirnar sem geymdu þessa einingarhleðslu. (Bókstafurinn C táknar hér hleðslueininguna Coulomb, sem er eining metrakerfisins um rafhleðslu).
Á myndinni hér fyrir neðan sést uppsetning tækjanna.
Þegar dropi er kyrr í loftinu er þyngd hans, $m\cdot g$, nákvæmlega jafn rafkraftinum, $q\cdot e$. Gildi rafsviðsins $E$, massa dropans $m$ og þyngdarhröðunarinnar $g$ eru öll þekkt. Þannig er hægt að finna út hleðslu dropans $q$.
Með því að framkvæma tilraunina margsinnis með mismiklum styrk röntgengeisla og finna hleðslu dropa í hvert skipti fann Millikan út mörg ólík gildi á $q$. Í ljós kom að öll gildi $q$ voru heilt margfeldi af einingarhleðslunni, $e=1,6\cdot 10^{-19}C$.
Þetta var talan sem Millikan var að leita að og hún sýndi að hleðslur væru skammtaðar og minnsta hleðslan væri hleðsla einnar rafeindar.
Heimildir og myndir: