MEDIDA DA CARGA DO ELÉTRON MILLIKAN

Transcrição

1 MEDIDA DA CARGA DO ELÉTRON MILLIKAN OBJETIVO Estudar o movimento de um corpo em queda em um fluido, considerando a força de arraste. Determinar a carga do elétron. MATERIAL NECESSÁRIO Plataforma com o experimento de Millikan fonte de alta tensão 2 multímetros fonte da lâmpada Cronômetro e paquímetro Fios para conexão MONTAGEM As figuras abaixo mostram a montagem do experimento. Leia com atenção o procedimento antes de ligar o aparelho na tomada. Figura 01: esquema geral de montagem do experimento. millikan_v1 1/7

2 Figura 2: esquema da câmara. PROCEDIMENTO (Leia antes iniciar o experimento!) CUIDADO: A voltagem na placa do capacitor é próxima a 500V. Não abra a câmara sem desligar a fonte de alta tensão da tomada. 1. Durante o experimento temos de conhecer alguns controles descritos abaixo: Fonte de Ionização (Ionization Source): Botão localizado ao lado câmara de ionização, possui três posições. A posição central, (Spray Droplet Position), corresponde à posição de entrada de gotas, pois permite a saída de ar. Posição OFF evita correntes de ar no interior da câmara, é a posição para observação de gotas. Controle da carga na placa superior do capacitor (Plate Charging Switch): Possui três posições. Placa superior do capacitor com carga positiva (+), negativa (-) e sem carga, posição central. Medida da voltagem na fonte de alta tensão: Cuidado, a voltagem máxima nas placas deve ser de 500V. millikan_v1 2/7

3 2. (A fonte de alta tensão deve estar desligada do aparato de Millikan quando este procedimento for realizado). Retire a espuma protetora do interior da câmara. Desmonte a mesma e com o auxílio de um paquímetro e determine a largura do espaçador, que corresponde à distância entre as placas do capacitor. d = 3. Monte novamente a câmara, conforme a figura 2. Coloque o pino preto de cobertura da entrada das gotas com o buraco voltado para baixo. Coloque em seguida a tampa. 4. Determine a temperatura utilizando o termistor: T = Se a temperatura variar durante o experimento, anote o novo valor na tabela. 5. Coloque o óleo no atomizador. Vire sua ponta para baixo. Aperte uma ou duas vezes o bulbo do atomizador sobre um papel toalha até carregar o óleo. Meça a densidade do óleo. Se o óleo utilizado for Squibb #5597 Mineral Oil a densidade é ρ = 886 kg/m Faça a conexão da fonte de alimentação da lâmpada de halogênio, que ilumina a câmara, em uma tensão de 8V (não tem polarização). Ligue esta lâmpada. Apague a luz da sala. 7. Ajuste a tensão entre as placas do capacitor para 400 V. 8. Mova o botão da fonte de ionização para posição central, spray de gotas. Coloque o atomizador no buraco da tampa e aperte levemente o bulbo. Ao mesmo tempo observe a câmara através do microscópio. Quando visualizar algumas gotas caindo pare de borrifar e coloque o botão da fonte de ionização na posição OFF. Deve-se injetar o mínimo de óleo possível. O excesso pode causar o embaçamento da janela do microscópio, sendo necessário a limpeza do sistema. Neste caso chame o professor. (não desmonte a câmara com a fonte de alta tensão ligada) 9. Quando encontrar UMA gota com a carga adequada, pode iniciar as medidas de tempo. Ajuste o foco da gota de forma que esta fique como um ponto brilhante. DICA: Uma gota adequada desce lentamente sem o campo elétrico e sobe lentamente com a aplicação do campo elétrico, de forma a possibilitar uma medida precisa do tempo de deslocamento, que deve ser da ordem de 10 segundos. 10. MEDIDAS DE TEMPO: A velocidade das gotas é determinada através do tempo para percorrer certa distância. O espaço entre as marcações menores no microscópio é de 0,1 mm e entre as marcações maiores 0,5 mm. Utiliza-se geralmente a distância de 0,5 mm ou 1,0mm (gotas rápidas). Mantenha a distância fixa durante as medidas para cada gota. Não esqueça de anotar este valor, y, na tabela em anexo. 11. Faça a medida do tempo de queda com campo nulo (E=0) e aproveite para medir o tempo de ascensão da gota com o campo E 0 ao retornar a gota para posição inicial. Realize também medidas do tempo de queda da gota com o campo E 0. Preencha a tabela em anexo. O ideal são 10 medidas (5 no mínimo). Caso perca alguma gota ou deixe de realizar 10 medidas não apague suas anotações. Não é necessário que todas as colunas tenham o mesmo número de medidas. 12. Escolha uma nova gota ou altere a carga da gota com o botão lateral e meça novamente. Repita esse procedimento pelo menos para três gotas distintas. OBS: A gota pode perder espontaneamente sua carga. Neste caso considere-a como uma nova gota. Se a gota sair da área de visão, escolha uma nova gota millikan_v1 3/7

4 TAREFAS 1. Verifique se o grupo realizou a medida de todas as grandezas abaixo necessárias ao cálculo da carga do elétron. Verifique se foram anotados/calculados os respectivos erros instrumental/aleatório/experimental. d separação entre as placas do capacitor em metros. ρ densidade do óleo em kg/m 3 g aceleração da gravidade igual a (9,78 ±0,01) m/s 2 (laboratório de física UCB) η viscosidade do ar (conforme figura abaixo) b constante igual a (8,2 ±0,1) x 10-3 Pa.m p pressão barométrica: utilize o barômetro a raio da gota em metros v f velocidade de queda em m/s (campo elétrico = zero) v r velocidade de ascensão em m/s V diferença de potencial entre as placas do capacitor. 2. A carga q foi calculada na tarefa pré-laboratório como ( v + v ) mg r f q =. Determine uma Ev expressão para o cálculo da carga do elétron considerando a queda da gota sob influência do campo elétrico com velocidade v q. 3. Não é possível a medida direta da massa da gota nesse experimento. No entanto, pode ser medida a densidade do óleo ρ e o raio da gota pode ser calculado pela lei de Stokes modificada a = 9ηv f + 2g ρ b 2 p 2 b 2 p. Utilizando a equação acima determine o raio de cada gota com o respectivo erro experimental. 4. Determine também a massa de cada gota com o respectivo erro experimental. (Dica: veja o manual da Pasco número AP-8210 Millikan oil drop apparatus em f Viscosidade do ar como função da temperatura η Nsm -2 x 10-5 Temperatura o C millikan_v1 4/7

5 5. Determine as cargas q 1, q 2, q 3, etc. (no mínimo três gotas) com o respectivo erro experimental para cada uma das medidas realizadas Considere tanto o movimento de subida como de descida sob ação do campo elétrico. Faça uma tabela. Mostre seus cálculos para uma das gotas. 6. Estime a carga do elétron a partir das medidas experimentais acima. Dica: considerando a quantização da carga do elétron e, podemos escrever q=ne, onde n é um número inteiro. Fazendo subtrações para todos os pares de cargas, pode-se chutar os valores de n (para cada carga) e com esse resultado calcular a carga do elétron e. Exemplo: dado q 1, q 2 e q 3 estima-se valores de n 1, n 2 e n 3 que resolva o sistema de equações abaixo (onde e é uma constante desconhecida) q 1 q 2 = (n 1 n 2 )e q 1 q 3 = (n 1 n 3 )e q 2 q 3 = (n 2 n 3 )e Com os valores de n 1, n 2 e n 3 estima-se o valor da carga e. A temperatura da câmara é determinada utilizando a tabela abaixo. Tabela de resistência do termistor millikan_v1 5/7

6 GOTA: 01 Temperatura = GOTA: 02 Temperatura = millikan_v1 6/7

7 GOTA: 03 Temperatura = GOTA: 04 Temperatura = millikan_v1 7/7