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Experimento de Millikan

Experimento de Millikan

El experimento de Millikan también conocido como el experimento de la gota de aceite fue realizado por Robert Millikan y Harvey Fletcher con el propósito de determinar la carga de un solo electrón.

¿Qué es el experimento de la gota de aceite?

El experimento de la gota de aceite fue efectuado por los dos científicos, en el Laboratorio Físico Ryerson de la Universidad de Chicago, en 1909. El propósito del experimento era medir la carga de un solo electrón.

Algunos experimentos anteriores por ejemplo, el de J. J. Thomson tenían el mismo objetivo, pero su enfoque solo podía medir la carga de un electrón en el orden de magnitud previsto. El físico estadounidense Robert Millikan lo consiguió, finalmente, con la ayuda del experimento de la gota de aceite.

El proceso del experimento de Millikan

El experimento consistía en colocar dos placas metálicas horizontales, una encima de la otra, y un material aislante entre ellas. En el material aislante se hicieron cuatro agujeros: tres de ellos para introducir la luz y uno para permitir la visualización a través de un microscopio.

Se aplicó una diferencia de potencial, a través de las dos placas, para formar un campo eléctrico uniforme entre ellas. A medida que se rociaban las gotas de aceite, algunas de ellas se cargaban eléctricamente, debido a la fricción con la boquilla. Una fuente de radiación ionizante, como un tubo de rayos X, también podría utilizarse como alternativa para cargar las gotas. Las gotas de aceite atomizado se pulverizaron en una cámara situada encima de las placas.

Se emplea aceite, en lugar de agua, porque no se evapora rápidamente. Esto permite que la masa se mantenga aproximadamente constante.

Experimento de Millikan Diagrama del experimento de Millikan StudySmarterFig. 1: Diagrama del experimento de Millikan con gotas de aceite.

Para el proceso se siguieron los siguientes pasos:

  1. Mientras las placas estaban apagadas y, por tanto, el valor del campo eléctrico era nulo se introdujeron las gotas de aceite entre ellas. Debido a la fricción con el aire de la cámara, las gotas alcanzaron la velocidad terminal con bastante rapidez.

  2. Así se generó el campo eléctrico, mediante la diferencia de potencial entre las placas, y las gotas de aceite cargadas comenzaron a subir. Esto ocurría cuando el campo eléctrico era lo suficientemente fuerte y provocaba que la fuerza eléctrica ascendente fuera mayor que la fuerza gravitatoria.

  3. Se seleccionaba, entonces, una gota adecuada para continuar el experimento. Luego, se mantenía esta gota seleccionada en el centro, mientras se apagaba alternativamente el voltaje hasta que las otras gotas bajaran.

  4. La gota se dejaba caer a su velocidad terminal, lo que significa que la fuerza neta sobre la gota es cero. Por tanto, la fuerza de la gravedad sobre la gota y la fuerza del campo eléctrico sobre la gota son iguales.

Determinación de la carga del electrón

Veamos las ecuaciones que Millikan y Fletcher utilizaron para entender este concepto:

Como vimos antes, la fuerza de la gravedad es igual a la fuerza del campo eléctrico, cuando la gota cae a su velocidad terminal:

\[m_{\text{gota}}\cdot g=q_e\cdot E\]

En esta ecuación

  • \(m\) es la masa de la gota, en gramos \(\mathrm{g}\).
  • \(g\) es la constante gravitacional, \(9,8 \,\, \mathrm{m}/ \mathrm{s} ^ 2\), en la superficie de la tierra.
  • \(q_e\) es la carga del electrón, en culombios \(\mathrm{C}\).
  • \(E\) es el campo eléctrico, en Newtons/culombios (\(\mathrm{N/C}\)).

Un microscopio puede detectar las gotas como puntos de luz reflejados, pero son demasiado pequeñas para estimar su tamaño y masa mediante mediciones directas. Cuando se apaga el voltaje, la masa de la gota se determina por la rapidez con la que cae. Debido a la resistencia del aire, las más masivas caen más rápidamente que las menos masivas, lo que revela su masa mediante cálculos avanzados de sedimentación.

Dado que el voltaje (\(V\)) se ajusta para equilibrar el peso de la gota, y como el campo eléctrico es producido por el voltaje aplicado, se puede calcular el valor del campo con la siguiente ecuación:

\[E=\dfrac{V}{d}\]

  • Aquí: \(d\) es la distancia entre las placas, en metros.

Una vez conocida la masa de la gota, podemos calcular la carga del electrón, mediante la ecuación reordenada que se muestra a continuación: \[q_e=\dfrac{m_{\text{gota}}\cdot g}{E}=\dfrac{m_{\text{gota}}\cdot g \cdot d}{V}\].

  • Aquí, V es el voltaje que mantiene la gota en su lugar.

Millikan había medido la carga del electrón \(q_e\) con una precisión del \(1\%\) y, en pocos años, la multiplicó por \(10\) hasta alcanzar un valor de \(-1,60\cdot10^{-19} \, \, \mathrm{C}\). También, observó que todas las cargas eran múltiplos de la carga fundamental del electrón y que los electrones podían añadirse o sustraerse de las gotas en cualquier momento.

¿Cómo afectaron los experimentos de Millikan a la fotoelectricidad?

Tras realizar el experimento de las gotas de aceite, Millikan publicó un informe con el que pretendía invalidar la teoría del efecto fotoeléctrico de Albert Einstein de 1905. Esta decía que los electrones son expulsados de una superficie metálica cuando son impactados por la luz a determinadas longitudes de onda.

Millikan creía que si el experimento del efecto fotoeléctrico se hacía correctamente, no se liberarían electrones. Entonces, hizo cuidadosamente su experimento en el vacío, asegurándose de que nada en la atmósfera pudiera interferir en el montaje o facilitar la formación de una corriente.

Sin embargo, en contra de sus intenciones, acabó demostrando el efecto fotoeléctrico, lo que hizo que Einstein recibiera el Premio Nobel de 1921 por la teoría del efecto fotoeléctrico. Pero, también, el propio Millikan recibió el Premio Nobel de 1923, por su trabajo para determinar la carga de un electrón y demostrar la teoría del efecto fotoeléctrico.

Ejercicios resueltos del experimento de Millikan

Considera que una gota de aceite tiene una densidad de \(\rho =930 \, \, \mathrm{kg}/\mathrm{m}^3\), esta se libera entre dos electrodos con el campo eléctrico apagado. La gota alcanza la velocidad terminal y con ella se determina el radio \(R=4,37 \cdot 10^{-7} \, \, \mathrm{m}\).

Calcula la carga del electrón, si se enciende un campo uniforme de \(E=9,66 \, \, \mathrm{kN}/\mathrm{C}\).

Solución

Como conocemos el radio y la densidad de la gota de aceite, podemos determinar su masa, despejando \(m\) de la siguiente expresión: \[\rho=\dfrac{m}{V} \rightarrow \, m=\rho \cdot V\]

  • Donde, \(V\) es el volumen de la gota de aceite.

Considera que la gota de aceite es una esfera, entonces: \[V=\dfrac{4}{3}\pi R^3=\dfrac{4}{3}\pi (4,37 \cdot 10^{-7} \, \, \mathrm{m})^3=3,5 \cdot 10^{-19}\, \, \mathrm{m}^3\]

Luego, sustituyendo el volumen y la densidad en la ecuación de la masa, llegamos a: \[m=930 \, \, \mathrm{kg}/\mathrm{m}^3 \cdot 3,5 \cdot 10^{-19} \, \, \mathrm{m}^3 =3,25 \cdot 10^{-16}\, \, \mathrm{kg}\]

A continuación, recordemos la expresión para la carga de una gota en reposo: \[q_e=\dfrac{m_{gota}\cdot g}{E}\]

y que la magnitud del campo eléctrico es \(9,66 \, \, \mathrm{kN}/\mathrm{C}\) y \(g=9,8 \, \, \mathrm{m}/\mathrm{s}^2\).

Ahora, que tenemos todos los valores necesarios podemos calcular la carga del electrón:

\[q_e=\dfrac{(3,25 \cdot 10^{-16}\, \, \mathrm{kg})(9,8 \, \, \mathrm{m}/\mathrm{s}^2)}{9,66 \,\, \mathrm{kN}/\mathrm{C}}=3,29 \cdot 10^{-19}\, \, \mathrm{C}\]

Como sabemos que la carga del electrón es de \(1,602\cdot 10^{-19}\, \mathrm{C}\), nuestra solución se encuentra en el mismo orden de magnitud.

Experimento de Millikan - Puntos clave

  • El experimento de la gota de aceite fue realizado por Robert Millikan y Harvey Fletcher, con el fin de determinar la carga de un solo electrón.
  • Los resultados del experimento de la gota de aceite también determinaron que todas las cargas eran múltiplos de la carga fundamental del electrón.
  • El experimento de la gota de aceite consistió en colocar dos placas metálicas horizontales, una encima de la otra, y un material aislante entre ellas. En el material aislante se hicieron cuatro agujeros: tres para introducir la luz y uno para permitir la visualización, a través de un microscopio.
  • Millikan sugirió que si el experimento del efecto fotoeléctrico se hacía correctamente, no se liberarían electrones. Sin embargo, como resultado de su experimento, acabó demostrando que la teoría del efecto fotoeléctrico era correcta.

Preguntas frecuentes sobre Experimento de Millikan

El experimento de la gota de aceite fue efectuado por Robert Millikan y Harvey Fletcher en 1909 en el Laboratorio Físico Ryerson de la Universidad de Chicago. El propósito del experimento era medir la carga de un solo electrón. 

Millikan determinó que la carga de un solo electrón es de 1,60 x 10-19 Coulombs.

La carga del electrón.

Los resultados del experimento de la gota de aceite también determinaron que todas las cargas eran múltiplos de la carga fundamental del electrón.

Millikan acabó demostrando que la teoría del efecto fotoeléctrico era correcta.

Cuestionario final de Experimento de Millikan

Pregunta

¿Qué se puede utilizar alternativamente para cargar las gotas de aceite en el experimento de la gota de aceite, que no sea la fricción de la boquilla?

Mostrar respuesta

Answer

Un tubo de rayos X.

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Pregunta

¿Cuál de las siguientes opciones describe el montaje del experimento de la gota de aceite?

Mostrar respuesta

Answer

Dos placas horizontales con un material aislante con ocho agujeros que separan las placas.

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Pregunta

¿Cuál de las siguientes opciones puede utilizarse como alternativa a la carga de las gotas de aceite en el experimento de las gotas de aceite?

Mostrar respuesta

Answer

Luz visible.

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Pregunta

¿Dónde se roció el aceite en el experimento de la gota de aceite?

Mostrar respuesta

Answer

Directamente en la placa de arriba.

Show question

Pregunta

¿Cómo determinó Millikan la masa de una gota en el experimento de la gota de aceite?

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Answer

Por la cantidad de luz reflejada en la gota.

Show question

Pregunta

¿Cuál de los siguientes es el primer paso del experimento de la gota de aceite?

Mostrar respuesta

Answer

La gota seleccionada se deja caer a su velocidad terminal.

Show question

Pregunta

¿Qué significa que un objeto se mueva a su velocidad terminal? 

Mostrar respuesta

Answer

Que la fuerza neta sobre él es cero. 

Show question

Pregunta

¿Cuál es la unidad del campo eléctrico?

Mostrar respuesta

Answer

Newtons/Coulomb (\(\mathrm{N/C}\)).

Show question

Pregunta

¿Cuál es el valor de la carga de un solo electrón?

Mostrar respuesta

Answer

\(1,60 \cdot 10^{-19}\,\, \mathrm{C}\).

Show question

Pregunta

¿Cuándo se realizó el experimento de la gota de aceite?

Mostrar respuesta

Answer

El experimento de la gota de aceite fue efectuado por Robert Millikan y Harvey Fletcher, en 1909, en el Laboratorio Físico Ryerson de la Universidad de Chicago.

Show question

Pregunta

Milikan replicó el experimento del efecto fotoeléctrico y consiguió refutarlo: ¿Verdadero o falso? 

Mostrar respuesta

Answer

Falso.

Show question

Pregunta

Todas las cargas son múltiplos de la carga fundamental del electrón: ¿Verdadero o falso?

Mostrar respuesta

Answer

Verdadero.

Show question

Pregunta

¿Por qué se aplicaba una diferencia de potencial en las placas?

Mostrar respuesta

Answer

Para formar un campo eléctrico uniforme entre ellas.

Show question

Pregunta

Millikan recibió el premio Nobel por el efecto fotoeléctrico: ¿Verdadero o falso?

Mostrar respuesta

Answer

Verdadero.

Show question

Pregunta

Si la fuerza de gravedad sobre una gota de aceite es igual a la fuerza del campo eléctrico que la rodea, ¿a qué velocidad cae la gota?

Mostrar respuesta

Answer

A su velocidad terminal.

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