Experiência da gota de óleo
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O propósito de Robert Millikan no experimento do óleo-gota foi medir a carga elétrica do elétron. Ele fez este experimento cuidadosamente o balanço gravitacional e eletromagnético (/força elétrica) em minúsculas gotas de óleo carregadas suspensas entre dois eletrodos de metal. Conhecendo o campo elétrico, a carga da gota poderia ser determinada Repetindo o experimento em várias gotas, descobriu-se que os valores medidos eram sempre múltiplos do mesmo número. Isso foi levado pra ser a carga em um único elétron: 1,602 x 10-19 Coulomb’s (no SI de cargas elétricas).
Em 1923, Millikan ganhou o prêmio Nobel em física, em parte por causa deste experimento. O mesmo tem sido repetido por gerações de estudantes de física, embora seja bastante caro e difícil de fazer corretamente.
Uma versão do experimento do óleo-gota foi subseqüentemente usada para procurar quarks livres (os quais, se existirem, teriam carga de 1/3 “carga| e elementar”), sem sucesso. Teorias atuais sobre quarks predizem que eles são firmemente espiralados e não existirão em forma livre; de qualquer modo, nas anotaçoes originais de Millikan, ele observou e recordou a existência de uma gota de óleo que tinha +1/3 de carga parcial, o qual ele descartou na época como sendo um erro.
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[editar] Procedimento Experimental
(imagem)
[editar] O Aparato
O diagrama mostra uma versão simplificada do experimento de Millikan. Um campo elétrico uniforme é provido por um par de plscas paralelas horizontais com uma diferença potencial alta entre eles. Uma gota de óleo carregada é permitida vagar entre eles. Variando o potencial, a gota pode subir, descer ou ficar fixa. As placas são unidas por um anel de material isolante (não mostrado no diagrama). Há dois buracos cortados no anel. Uma fonte luminosa atravessa por um dos buracos, e se focaliza na região onde o spray derruba a gota de óleo no meio das placas. Um microscópio de baixo-poder é inserido através do outro buraco. As gotas de óleo refletem a luz e parecem pontos luminosos num campo escuro de visão através do microscópio. O microscópio tem uma escala graduada no visor que permite que a velocidade da gota seja medida, cronometrando quanto tempo ela leva para viajar de uma divisão a outra.
O óleo usado neste tipo de experimento é o normalmente usado em aparelhos de vácuo. Isto porque este tipo de óleo tem uma baixa pressão de vapor extrema. Óleos comuns evaporariam sob o calor da fonte luminosa e assim a massa da gota de óleo não permaneceria constante durante o curso da experiência. Algumas gotas de óleo irão adquirir uma carga por atrito com o bocal conforme eles são borrifadas, mas mais pode ser carregado utilizando uma fonte de radiação ionizante (como um tubo de raio-X) para ionizar o ar na câmara.
[editar] Método
Inicialmente as gotas de óleo são permitidas cair entre os pratos com o campo eletrico desligado. Elas muito rapidamente alcançam a velocidade terminal por causa da fricção com o ar na câmara. O campo depois é ligado e, se for grande o bastante, algumas das gotas (as carregadas) vão começar a subir. (isto porque a força elétrica superior “FE" que aponta para cima é maior do que a força gravitacional “W”, que aponta para baixo). uma provável gota visível é selecionada e mantida no meio do campo de visão, e vai então se desligando alternadamente a voltagem até que todas as outras gotas tenham caído. O experimento é depois continuado com esta gota.
A gota é permitida cair e a sua velocidade terminal V1 na ausência de um campo elétrico é calculada. A força de (arraste física/ arraste) que age na gota pode depois ser trabalhada fora usando a lei de Stokes:
F = 6\pi r \eta v_1 \
Onde “v1” é a velocidade terminal (i.e velocidade na ausência do campo elétrico) da gota caindo, “n” é a viscosidade do ar, e “r” é o raio da gota.
O peso “W” ´o volume “V” multiplicado pela densidade “p” e a aceleração devido a gravidade “g”. De qualquer modo o que se precisa é do peso aparente. O peso aparente no ar é o verdadeiro peso menos o empuxo pra cima (que é igual ao peso do ar deslocado pela gota de óleo). Para uma gotinha perfeitamente esférica o peso aparente pode ser escrito como:
W = \frac{4}{3} \pi r^3 g(\rho_{air}) \
Agora na velocidade terminal a gota de óleo não é acelerada. Então a força total atuando nela deve ser zero. Portanto as duas forças F e W devem cancelar uma a outra.
F = W implica:
r^2 = \frac{9 \eta v_1}{2 g (\rho_{air})} \
uma vez que “r” é calculado, “W” pode ser facilmente descoberto.
Agora o campo está novamente ligado. F_E = q E \ Onde “q” é a carga na gota de óleo e “E” é o campo elétrico entre as placas. Para pracas paralelas E = \frac{V}{d} \
Onde “V” é a diferença de potencial e “d” é a distância entre as placas.
Um modo aceitável para descobrir “q” seria ajustar “V” até a gota de óleo permanecer fixa. Depois nós podemos igualar “F”“E” com “W”. Mas na prática isto é extremamente difícil de fazer precisamente. Uma aproximação mais variada é virar “V” ligeiramente para cima de forma que a gota de óleo suba com uma nova velocidade terminal “V”2 . Depois:
q E – W = 6\pi r \eta v _2 \ = \frac {W v_2}{v_1} \
[editar] O Experimento de Millikan e a ciência de culto de carga
Richard Feynman disse no começo de uma conferência que ele fez em Caltech em 1974
“Nós temos aprendido muito de experiência sobre como controlar alguns meios de ridicularizarmos nós mesmos. Um exemplo: Millinkan mediu a carga de um elétron com um experimento com gotas de óleo caindo, e achou uma resposta a qual agora nós sabemos que não é tão certa. É um pouco errada porque ele teve o valor incorreto da viscosidade do ar. É interessante olhar para a história de medidas de cargas de um elétron, depois de Millikan. Se você as delinear como uma função de tempo, você achará que ela é um pouquinho maior que Millikan achou, e a próxima será um pouquinho maior do que aquela, e a próxima maior que essa, até que elas finalmente se estabeleçam para um número mais alto”
“Por que eles não descobriram que o novo número era imediatamente mais alto? É uma coisa da qual os cientistas se envergonham – esta história – porque é aparente que as pessoas fizeram coisas como essa: quando eles chegaram em um número que era muito mais alto que o de Millikan, eles pensaram que algo devia estar errado – e procuraram achar uma razão por quê as coisas poderiam estar erradas. Quando eles chegaram em um número perto do valor de Millikan, eles não se esforçaram tanto. E então eliminaram os números que eram muito distantes, e fizeram outras coisas como aquela. Nós aprendemos esses truques hoje em dia, e agora não temos aquele tipo de doença”
[editar] Links internos e referencias
- Karlsson, Magnus, "Millikan's oildrop experiment". (Simplified version)
- Graphical simulation of the experiment - examples of the difficulties
- Thomsen, Marshall, "Good to the Last Drop". Millikan Stories as "Canned" Pedagogy. Eastern Michigan University.
- CSR/TSGC Team, "Quark search experiment". The University of Texas at Austin.
- The oil-drop experiment appears in a list of Science's 10 Most Beautiful Experiments originally published in the New York Times.
[editar] Mais links externos
- Delpierre, G.R. and B.T. Sewell, "Millikan's Oil Drop Experiment". 25 April 2005
- Engeness, T.E., "The Millikan Oil Drop Experiment". 25 April 2005
- Predefinição:Cite journal, Paper by Millikan discussing modifications to his original experiment to improve its accuracy
- Cargo cult science, text of the Feynman lecture.
- Millikan Oil Drop Experiment in space. A variation of this experiment has been suggested for the International Space Station.
