Der nach dem amerikanischen Physiker Robert Andrews MILLIKAN (1868 - 1953) benannte MILLIKAN-Versuch ist nicht nur von großer historischer Bedeutung für die Physik (vgl. Geschichte der Bestimmung der Elementarladung), sondern auch einer der zentralen Versuche des Physikunterrichts in der Oberstufe.
Obwohl der prinzipielle Versuchsaufbau relativ einfach ist, sind sowohl die Versuchsdurchführung als auch die theoretischen Überlegungen, die für die Auswertung benötigt werden, teilweise recht komplex. Aus diesem Grund bieten wir auf LEIFIphysik vier verschiedene Methoden der Durchführung einschließlich der jeweiligen Theorie an. Zu jeder Methode gibt es eine angepasste Simulation sowie weitere Hilfsmittel. Mit Hilfe der Simulation können dann selbstständig "Messwerte" aufgenommen und diese dann ausgewertet werden.
Aufbau
Joachim Herz Stiftung
Der prinzipielle Aufbau des MILLIKAN-Versuchs ist recht einfach; er besteht aus zwei horizontal liegenden parallelen Platten mit dem Abstand \(d\), an die eine elektrische Quelle angeschlossen ist. Die elektrische Quelle kann sowohl ein- und ausgeschaltet als auch umgepolt werden, die angelegte Spannung \(U\) ist regelbar und wird mit einem Voltmeter gemessen. Der Raum zwischen den Platten kann mit einer Lampe beleuchtet und mit einem Mikroskop beobachtet werden; darin eingeblendet ist eine Skala, in der die einzelnen Skalenstriche den Abstand \(s\) haben. In den Raum zwischen den Platten können mit einem Zerstäuber kleine Öltröpfchen gesprüht werden, die sich durch die Reibung aufladen und deren Bewegung mit Hilfe des Mikroskops beobachtet werden kann.
Hinweis: Wenn du den Raum zwischen den Platten durch das Mikroskop beobachtest, werden oben und unten vertauscht: Bewegt sich ein Öltröpfchen in der Realität nach unten zur Erde hin, so beobachtest du im Mikroskop eine Bewegung des Öltröpfchens nach oben. In der Simulation kannst du dies verhindern, indem du die Ansicht von "Mikroskop" zu "Realität" änderst.
Theorie der Schwebe-Fall-Methode
Bei der Schwebe-Fall-Methode wird ein Öltröpfchen
- zuerst durch Anlegen einer Spannung in der Schwebe hehalten (Schweben im elektrischen Feld) und
- dann ohne angelegte Spannung ‚frei’ fallen gelassen (Fallen ohne elektrisches Feld).
Wenn man die Spannung, die an den Platten anliegt, und die Geschwindigkeit des Tröpchens beim Fallen misst, kann man die Ladung des Öltröpfchens bestimmen.
Auf ein elektrisch geladenes Öltröpfchen in der Versuchsanordnung des MILLIKAN-Versuchs können die folgenden Kräfte wirken:
Gewichts- und Auftriebskraft
Joachim Herz Stiftung
Da sich die Versuchsanordnung im Gravitationsfeld der Erde befindet, wirkt auf das Öltröpfchen stets die Gewichtskraft \(F_{\rm{G}} = m \cdot g\) (\(m\): Masse des Tröpfchens; \(g\): Erdbeschleunigung) nach unten. Die Masse \(m\) des kugelförmigen Öltröpfchens kann man mit Hilfe der bekannten Formeln \(m = \rho \cdot V\) und \(V_{\rm{Kugel}} = \frac{4}{3} \cdot \pi \cdot {r^3}\) durch \(m = \rho _{\rm{Öl}} \cdot \frac{4}{3} \cdot \pi \cdot {r^3}\) ausdrücken. Damit ergibt sich für die Gewichtskraft \(F_{\rm{G}} = \rho _{\rm{Öl}} \cdot \frac{4}{3} \cdot \pi \cdot {r^3} \cdot g\) (\(\rho _{\rm{Öl}}\): Dichte von Öl; \(r\): Radius des Tröpfchens; \(g\): Erdbeschleunigung).
Da sich weiter zwischen den beiden Platten Luft befindet, wirkt auf das Öltröpfchen zusätzlich stets die Auftriebskraft \(F_{\rm{A}} = \rho _{\rm{Luft}} \cdot V \cdot g\) (\(\rho _{\rm{Luft}}\): Dichte von Luft; \(V\): Volumen des Tröpfchens; \(g\): Erdbeschleunigung) nach oben. Auch hier kann man das Volumen des Öltröpfchens mit Hilfe seines Radius ausdrücken. Damit ergibt sich für die Auftriebskraft \(F_{\rm{A}} = \rho _{\rm{Luft}} \cdot \frac{4}{3} \cdot \pi \cdot {r^3} \cdot g\) (\(\rho _{\rm{Luft}}\): Dichte von Luft; \(r\): Radius des Tröpfchens; \(g\): Erdbeschleunigung).
Obwohl die Auftriebskraft \(F_{\rm{A}}\) gegenüber der Gewichtskraft \(F_{\rm{G}}\) sehr klein ist und eigentlich vernachlässigt werden kann (vgl. untenstehende Aufgabe), wird häufig mit einer um die Auftriebskraft reduzierten Gewichtskraft \(F_{\rm{G'}} = F_{\rm{G}} - F_{\rm{A}}\) gerechnet; man erhält dann (\(\rho ' = \rho _{\rm{Öl}} -\rho _{\rm{Luft}}\): reduzierte Dichte; \(r\): Radius des Tröpfchens; \(g\): Erdbeschleunigung)\[F_{\rm{G'}} = \rho' \cdot \frac{4}{3} \cdot \pi \cdot {r^3} \cdot g\]
Wie groß sind Gewichts- und Auftriebskraft?
Aufgabe
Berechne für einen Tröpfchenradius von \(r = 5{,}00 \cdot {10^{ - 7}}\,{\rm{m}}\), \({\rho _{{\rm{Öl}}}} = 875{,}3\,\frac{{{\rm{kg}}}}{{{{\rm{m}}^{\rm{3}}}}}\) und \({\rho _{\rm{Luft}}} = 1{,}29\,\frac{{{\rm{kg}}}}{{{{\rm{m}}^{\rm{3}}}}}\) die Beträge von Gewichtskraft \(F_{\rm{G}}\), Auftriebskraft \(F_{\rm{A}}\) und reduzierter Gewichtskraft \(F_{\rm{G'}}\).
Begründe durch eine Rechnung, dass unabhängig von allen anderen Größen für \(\rho _{\rm{Öl}} = 875{,}3\,\frac{{{\rm{kg}}}}{{{{\rm{m}}^{\rm{3}}}}}\) und \({\rho _{\rm{Luft}}} = 1{,}29\,\frac{{{\rm{kg}}}}{{{{\rm{m}}^{\rm{3}}}}}\) die Vernachlässigung des Auftriebs ungefähr \(0{,}1\%\) Ungenauigkeit bedeutet.
Elektrische Kraft
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Liegt an den beiden Platten eine Spannung an, so wirkt auf ein geladenes Öltröpfchen zusätzlich die elektrische Kraft \({F_{\rm{el}}} = q \cdot E\) (\(q\): Ladung des Tröpfchens; \(E\): Elektrische Feldstärke zwischen den Platten). Die elektrische Feldstärke \(E\) kann man mit Hilfe der Formel \(E = \frac{U}{d}\) ersetzen. Damit ergibt sich für die elektrische Kraft (\(q\): Ladung des Tröpfchens; \(U\): Spannung an den Platten; \(d\): Plattenabstand)\[{F_{{\rm{el}}}} = q \cdot \frac{U}{d}\]
Da die Platten horizontal angeordnet sind, sind die elektrische Kraft und die Gewichtskraft stets parallel gerichtet. Durch Umpolen der an die Platten angeschlossenen elektrischen Quelle kann die elektrische Kraft nach oben oder nach unten wirken.
Wie groß ist die benötigte Spannung?
Aufgabe
Durch vorhergegangene Experimente wusste MILLIKAN, dass die Öltröpfchen Ladungen in der Größenordnung von ca. \(1 \cdot {10^{ - 19}}\,{\rm{As}}\) tragen.
Berechne für einen Plattenabstand von \(d = 6{,}00 \cdot {10^{ - 3}}\,{\rm{m}}\), welche Spannung \(U\) an den Platten anliegen muss, um ein Öltröpfchen mit der reduzierten Gewichtskraft von \(4{,}49 \cdot {10^{ - 15}}\,{\rm{N}}\) in der Schwebe zu halten.
STOKESsche Reibungskraft
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Bewegt sich das Öltröpfchen durch die Luft im Kondensator, so wirkt auf das Öltröpfchen die STOKESsche Reibungskraft\[{F_{\rm{R}}} = 6 \cdot \pi \cdot \eta \cdot r \cdot v\](\(\eta\): Zähigkeit der Luft; \(r\): Radius des Tröpfchens; \(v\): Geschwindigkeit des Tröpfchens) (Gesetz von STOKES, George Gabriel STOKES (1819 - 1903)). Diese ist eine aus der Strömungslehre für laminare Strömungen bekannte Kraft auf kugelförmige Körper in einem ‚zähen’ Medium mit der Zähigkeit \(\eta\), die stets der Bewegungsrichtung des Körpers entgegen wirkt. Die Kraft wächst zudem mit der Geschwindigkeit und zwar so lange, bis sich der Körper nur noch mit konstanter Geschwindigkeit bewegt (vgl. untenstehende Aufgabe).
Wie groß ist die Geschwindigkeit, die beobachtet werden muss?
Aufgabe
Beim Fall eines Öltröpfchens allein unter dem Einfluss der Gewichtskraft stellt sich nach kurzer Zeit ein Kräftegleichgewicht zwischen der Gewichtskraft und der STOKESschen Reibungskraft ein.
Berechne für \(r = 5{,}00 \cdot {10^{ - 7}}\,{\rm{m}}\) und \(\eta = 1{,}81 \cdot {10^{ - 5}}\,\frac{{{\rm{N}} \cdot {\rm{s}}}}{{{{\rm{m}}^{\rm{2}}}}}\), welche Geschwindigkeit \(v\) ein Öltröpfchen mit der reduzierten Gewichtskraft von \(4{,}49 \cdot {10^{ - 15}}\,{\rm{N}}\) beim Fallen erreicht.
Schweben im elektrischem Feld
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Zuerst wird an die Platten eine Spannung \(U\) angelegt und so eingestellt, dass das Öltröpfchen schwebt (Schweben im elektrischen Feld). Für ein negativ geladenes Tröpfchen muss die obere Platte positiv und die untere Platte negativ geladen werden.
Auf das Tröpfchen wirkt
- nach oben die elektrische Kraft \({{\vec F}_{{\rm{el}}}}\)
- nach unten die (reduzierte) Gewichtskraft \({\vec F_{{\rm{G'}}}}\)
Da das Tröpfchen ruht (bzw. aufgrund der BROWNschen Bewegung etwas zittert), wirkt auf das Tröpfchen keine resultierende Kraft mehr und es herrscht folgendes Kräftegleichgewicht:
Die elektrische Kraft \({F_{{\rm{el}}}} = q \cdot \frac{U}{d}\) ist betragsgleich der (reduzierten) Gewichtskraft \(F_{\rm{G'}} = \rho' \cdot \frac{4}{3} \cdot \pi \cdot {r^3} \cdot g\):\[\begin{eqnarray} {{F_{\rm{G'}}}} &=& {{F_{\rm{el}}}} \\ \rho' \cdot \frac{4}{3} \cdot \pi \cdot {r^3} \cdot g &=& q \cdot \frac{U}{d} \quad(1)\end{eqnarray}\]
Fallen ohne elektrisches Feld
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Nun wird die Spannung ausgeschaltet. Ohne angelegte Spannung fällt das Tröpfchen nach einer kaum beobachtbaren Beschleunigungsphase mit konstanter Geschwindigkeit \(\vec v\) nach unten. Auf das Tröpfchen wirkt
- nach oben die der Bewegung entgegengerichtete STOKESsche Reibungskraft \({{\vec F}_{{\rm{R}}}}\)
- nach unten die (reduzierte) Gewichtskraft \({\vec F_{{\rm{G'}}}}\).
Die STOKESsche Reibungskraft hat sich dabei so "eingestellt", dass auf das Tröpfchen keine resultierende Kraft mehr wirkt und folgendes Kräftegleichgewicht herrscht:
Die (reduzierte) Gewichtskraft \(F_{\rm{G'}} = \rho' \cdot \frac{4}{3} \cdot \pi \cdot {r^3} \cdot g\) ist betragsgleich der STOKESschen Reibungskraft \(F_{\rm{R}} = 6 \cdot \pi \cdot \eta \cdot r \cdot v\):\[\begin{eqnarray} F_{\rm{G'}} &=& F_{\rm{R}} \\ \rho' \cdot \frac{4}{3} \cdot \pi \cdot {r^3} \cdot g &=& 6 \cdot \pi \cdot \eta \cdot r \cdot v \quad(2)\end{eqnarray}\]
Berechnung der Ladung des Tröpfchens
Durch Kombinieren der Gleichungen \((1)\) und \((2)\) (vgl. die untenstehende Aufgabe) erhält man für die gesuchte Ladung \(q\) die Formel\[q = \frac{{9 \cdot \sqrt {2} \cdot \pi \cdot d}}{U}\sqrt {\frac{{{{\eta} ^3} \cdot {v}^3}}{{\rho' \cdot g}}} \quad(3)\]Die Größen \(\eta \), \(\rho'=\rho_{\text{Öl}} - \rho_{\text{Luft}}\) und \(g\) können aus Tabellen entnommen werden, die Größe \(d\) findet sich in den technischen Daten der Versuchsapparatur und die Größen \(U\) und \(v\) können gemessen werden, so dass sich nun die gesuchte Ladung \(q\) berechnen lässt.
Hinweis: Bei der folgenden Rechnung kann dir ein Computeralgebrasystem wie z.B. GeoGebra CAS gute Dienste leisten. Mit wenigen Befehlen kannst du die gesamte Rechnung online selbst durchführen. Die Lösung findest du hier.
Wie leitet man die Gleichungen \((3)\) und \((2.1)\) her?
Aufgabe
Löse Gleichung \((1)\) nach \(q\) auf. Die dadurch neu entstehende Gleichung sei Gleichung \((1.1)\).
Löse Gleichung \((2)\) nach \(r\) auf. Die dadurch neu entstehende Gleichung sei \((2.1)\).
Ersetze die Größe \(r\) in Gleichung \((1.1)\) durch den gleichwertigen Term für \(r\) aus Gleichung \((2.1)\) und fasse die rechte Seite der neuen Gleichung so weit wie möglich zusammen. Es ergibt sich Gleichung \((3)\).
Zeige durch eine Einheitenrechnung, dass Gleichung \((3)\) für die Ladung \(q\) die korrekte Einheit ergibt.
Durchführung und Beobachtung
Aufgabe
Schalte unbedingt vor Beginn der Messung in der Simulation die CUNNINGHAM-Korrektur "Aus".
- Sprühe Öltröpfchen in die Versuchsapparatur und konzentriere dich auf ein einzelnes Öltröpfchen.
- Schalte die Spannung \(U\) ein und regele diese so weit hoch, dass das ausgewählte Öltröpfchen exakt auf einem Skalenstrich ruht.
- Aktiviere die Stoppuhr.
- Schalte die Spannung aus. Das Öltröpfchen bewegt sich im Mikroskop nach oben (in der Realität nach unten) und die Stoppuhr startet.
- Stoppe die Stoppuhr manuell, wenn das Öltröpfchen eine bestimmt Anzahl (z.B. \(20\)) von Skalenteilen zurückgelegt hat.
- Notiere die Werte von Spannung \(U\), Anzahl \(n\) und Zeit \(t\).
- Führe den Versuch mehrmals mit verschiedenen Öltröpfchen durch. Notiere die jeweiligen Messwerte in der folgenden Tabelle.
| \[N\] | \[U\;{\rm{in}}\;{\rm{V}}\] | \[n\] | \[t\;{\rm{in}}\;{\rm{s}}\] | \[\] | \[\] |
|---|---|---|---|---|---|
| \(1\) | \( \) | \( \) | \( \) | \( \) | \( \) |
| \(2\) | \(\) | \(\) | \(\) | \(\) | \(\) |
Hinweis: Die Simulation arbeitet mit den Parametern \(d = 6{,}00 \cdot {10^{ - 3}}\,{\rm{m}}\), \(s = 5{,}33 \cdot {10^{ - 5}}\,{\rm{m}}\), \({\rho _{{\rm{Öl}}}} = 875{,}3\,\frac{{{\rm{kg}}}}{{{{\rm{m}}^{\rm{3}}}}}\), \({\rho _{{\rm{Luft}}}} = 1{,}29\,\frac{{{\rm{kg}}}}{{{{\rm{m}}^{\rm{3}}}}}\), \(\eta = 1{,}81 \cdot {10^{ - 5}}\,\frac{{{\rm{N}} \cdot {\rm{s}}}}{{{{\rm{m}}^{\rm{2}}}}}\), \(g = 9{,}81\,\frac{{\rm{m}}}{{{{\rm{s}}^{\rm{2}}}}}\). Ist die Spannung \(U\) positiv, so ist die (in der Realität obere, im Mikroskop untere) Platte des Kondensators positiv geladen.
Auswertung
Aufgabe
Hinweis: Bei der Auswertung der Messwerte kann dir eine Tabellenkalkulation gute Dienste leisten. Ein passendes Tabellenblatt kannst du leicht selbst anfertigen. Ein vorgefertigtes Tabellenblatt im .xls-Format findest du hier.
Berechne für alle Einzelmessungen durch \(v = \frac{{n \cdot s}}{t}\) die Geschwindigkeit \(v\) sowie wie in Gleichung \((3)\) angegeben die Ladung \(q\). Er sollte in der Größenordnung von \({10^{ - 19}}{\rm{As}}\) liegen.
Erstelle ein Diagramm, in dem du auf der horizontalen Achse die Versuchsnummer \(N\) und auf der vertikalen Achse jeweils die berechnete Ladung \(q\) aufträgst.
Interpretiere das Diagramm.