Objetivos O objetivo do experimento é determinar a carga elementar. Introdução teórica Em física, unidades naturais são unidades físicas de medida definidas em termos de constantes físicas universais. São naturais porque a origem de sua definição advém somente de propriedades da natureza e não de qualquer formalismo humano. Dentre as principais constantes encontram-se: a velocidade da luz - c, a constante gravitacional –G, e a carga do elétron – e, entre outras. Por muitos anos, vários cientistas dedicaram-se a medir tais constantes, como forma de permitir que esses dados propiciassem uma forte base de apoio para o desenvolvimento da física e da química. Dentre esses pesquisadores encontrava-se o físico norte-americano Robert A. Millikan determinado a encontrar o valor da carga elementar do elétron. Para tanto, ele analisou o comportamento de gotículas de água eletricamente carregadas quando submetidas a influências de forças no interior de uma câmara fechada como: a viscosidade, a gravidade e a elétrica. Porem, ele se deparou com um problema: a água evapora! Sendo assim, ele substituiu a água por gotas de substância que não evaporavam como o óleo. Elaborou então um aparelho capaz de produzir uma névoa de óleo. A essência da experiência é aplicar um campo elétrico a uma gota de óleo eletricamente carregada. O movimento de gotículas de óleo eletricamente carregadas sujeitas a um campo elétrico e ao campo gravitacional é investigado e as velocidades das gotículas são determinadas por medidas diretas dos tempos de subida e descida no espaço interior a câmara. A carga elementar é então obtida a partir da medida das cargas elétricas de uma grande quantidade de gotículas. Para isso, ele mediu a carga de 10.000 gotas de óleo e verificou que todos esses valores eram múltiplos inteiros de certo número, encontrando assim a “carga elementar (e)”. O aparato utilizado por Millikan era constituído por um vaso de latão projetado para operar em qualquer pressão até o valor limite de 15 atmosferas. A foto do vaso de latão se encontra apresentada na figura 1. Figura 1: Foto do vaso de latão que constitui parte do arranjo experimental utilizado por Robert A.Millikan para determinar a carga do elétron. Analise teórica A força F, experimentada por uma esfera de raio r e velocidade υ, em um meio fluido de viscosidade η, é dada por:𝐹𝑆 = 6𝜋𝑟𝜂𝑣 . A gota esférica de massa m, volume V e densidade ρ1 está também submetida ao campo gravitacional terrestre:𝐹𝑔 = 𝑚𝑔 = 𝜌1𝑣𝑔 [2] E a força de empuxo:𝐹𝑒 = 𝜌2𝑣𝑔 . Por estar eletrizada, também existira a força devida ao campo elétrico do capacitor. 𝐹𝐸 = 𝑞. 𝐸 = 𝑞U/d. As velocidades de descida e subida são obtidas em regime de equilíbrio, ou seja, quando a resultante das forças que atuam sobre a partícula carregada for nula. Material utilizado Cronômetro digital; Base tripé com suporte de sustentação Fonte de alimentação de 600 V; Chave comutadora; Flex-Cam básica; Televisor; Micrômetro de estágios; • Cabos de conexão; • Óleo; • Multímetro; • Aparatos de Millikan. Procedimento experimental 1. A montagem experimental pode ser vista na figura 2. A fonte de alimentação fornece as tensões necessárias para o aparato Millikan. O sistema de iluminação é ligado às saídas de 6,3 V - AC. Figura 2: Arranjo experimental para determinação da carga elementar usando o aparelho de Millikan. 2. Calibra-se inicialmente o micrômetro da ocular. Liga-se a saída de tensão fixa (300 Vdc) em série com a de tensão variável (0…300 V-DC) de modo a se obter tensões superiores a 300 V-DC. A chave comutadora é usada para inverter as polaridades do capacitor. 3. Ajuste a tensão do capacitor para um valor entre 300 e 500 V. 4. Antes do início das medidas de tempo, o sistema deve ser nivelado, de modo que as gotículas se movimentem sempre verticalmente. Para isso, devem ser feitos alguns testes antes. Em seguida, verificar se as gotículas estão subindo e/ou descendo verticalmente. Para isto, bombeie gotículas de óleo e faça alguns testes para verificar esta condição variando o nivelador até obter boa condição para o experimento. 5. Para uma melhor visualização, acople uma câmera CCD à ocular do microscópio e a conecte a um aparelho de TV. Selecione uma gotícula em particular e, atuando com a chave comutadora, faça a gotícula se mover entre as graduações mais alta e mais baixa do micrômetro ocular. Corrija o foco do microscópio se necessário 6. Uma vez encontrada a bolha ideal, realize 10 pares de medidas de tempo de subida e decida para diferentes potenciais. Monte uma tabela. 7. Calcule as velocidades de subida e decida da bolha para cada potencial. Para calcular as velocidades, faça os devidos ajustes da distância tomando como referência o fator de calibração da escala do micrometro ocular 30 div = 0,89 mm. 8. Determine também, o(s) raio(s) da(s) bolha(s) e, de posse desse valor, determine o valor da carga elétrica presente em cada bolha para os diferentes potenciais adotados. 9. Calcular a razão entre os valores das cargas elétricas das gotículas dividindo todos os valores pelo menor valor encontrado. Este resultado é o fator multiplicador da carga e, de acordo com as regras de arredondamento, ajuste o resultado para o inteiro mais próximo. 10. Construa um gráfico da carga elétrica em função de n (Q× n), onde n é o valor do número inteiro mais próximo ao valor encontrado para a razão entre os valores das cargas das diferentes gotículas. Resultados Com as seguintes equações entramos os resultados da tabela: Q=ne V(m/s) 10^-19 Q(A.s) 10^-7 r(m) 10^-19.e (1,61x10^-4) e (1,48x10^-4) 6,60 2,29 1,65 (2,30x10^-4) e (2,86x10^-4) 3,47 4,76 1,73 (2,87x10^-4) e (2,60x10^-4) 2,56 3,30 1,28 (2,82x10^-4) e (2,43x10^-4) 1,83 3,91 1,88 Tirando as médias ficam: Para as velocidades: v1=2,4x10^-4 m/s e v2=2,3x10^-4 Para a carga: Q=3,6X10^19 (A.s) Para o raio: r=3,5x10^7 m Media da carga elementar: 1,65x10^-19 Conclusão Conforme o resultado obtido chegamos próximo do resultado da carga elementar que é de 1,66x10^-19. Onde pode ter sido influenciado a quantidade de medidas pois fizemos poucas medidas da gotículas de agua . Bibliografia Tipler, Paul A.; Llewellyn Ralph A.; tradução. de Biasi, Ronaldo Sérgio.; Física Moderna. 6ªed. Rio de Janeiro: LTC, 2014 Roteiro de laboratório PHYNE ( 1303 – Determinação da UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS LABORATÓRIO DE FÍSICA MODERNA I ALDEÍRE GOMES VIEIRA LEI DE STEFAN-BOLTZMAN DA RADIAÇÃO MANAUS 2015