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Millikan-Versuch – auf der Suche nach der Elementarladung

Im 19. Jahrhundert entdeckten Wissenschaftler die Existenz von Elektronen und die kleinste Ladungsmenge, die sie tragen - die Elementarladung. Der Millikan-Versuch von Robert Andrews Millikan und Harvey Fletcher hilft dabei, diese Ladung zu messen, indem Öltröpfchen in einem Kondensator schweben. Interessiert? Erfahre mehr über den genauen Ablauf und die Ergebnisse des Experiments!

Inhaltsverzeichnis zum Thema Millikan-Versuch – auf der Suche nach der Elementarladung
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Physik-Team
Millikan-Versuch – auf der Suche nach der Elementarladung
lernst du in der Oberstufe 7. Klasse - 8. Klasse - 9. Klasse

Millikan-Versuch – auf der Suche nach der Elementarladung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Millikan-Versuch – auf der Suche nach der Elementarladung kannst du es wiederholen und üben.
  • Nenne die Kräfte, die im Schwebezustand beim Millikan-Versuch auf ein Öltröpfchen wirken.

    Tipps

    Überlege dir, unter welchen Bedingungen die genannten Kräfte wirken.

    Eine der genannten Kräfte ist keine physikalische Kraft.

    Lösung

    Auf jedes Teilchen mit einer Masse, auch wenn sie sehr klein ist, wirkt das Gravitationsfeld der Erde. Du kennst diese Kraft als Gewichtskraft.

    Genauso wirkt auf jedes Teilchen mit einer Ladung in einem elektrischen Feld auch eine Kraft, die Coulombkraft.

    In jedem Medium wirkt aufgrund von Druckunterschieden eine Auftriebskraft auf die Körper. Wir kennen das vor allem vom Schwimmen im Medium Wasser. Aber auch in der Luft und in jedem anderen Medium wirkt diese Auftriebskraft.

    Oft werden Auftriebskraft und Gewichtskraft miteinander verrechnet, man spricht dann von der reduzierten Gewichtskraft, da sie kleiner ist als die Gewichtskraft im Vakuum.

    Eine Reibungskraft wirkt auf alle bewegten Körper. Da das Öltröpfchen schwebt, bewegt es sich nicht und es wirkt daher auch keine Reibung.

    Da im Kondensator nur ein elektrisches Feld entsteht, wirkt auch keine magnetische Kraft auf das Öltröpfchen.

  • Nenne die Kräfte, die im Sinkzustand beim Millikan-Versuch auf ein Öltröpfchen wirken.

    Tipps

    Überlege dir, unter welchen Bedingungen die genannten Kräfte wirken.

    Eine der genannten Kräfte ist keine physikalische Kraft.

    Lösung

    Auf jedes Teilchen mit einer Masse, auch wenn sie sehr klein ist, wirkt das Gravitationsfeld der Erde. Du kennst diese Kraft als Gewichtskraft.

    Genauso wirkt auf jedes Teilchen mit einer Ladung in einem elektrischen Feld auch eine Kraft, die Coulombkraft.

    In jedem Medium wirkt aufgrund von Druckunterschieden eine Auftriebskraft auf die Körper. Wir kennen das vor allem vom Schwimmen im Medium Wasser. Aber auch in der Luft und in jedem anderen Medium wirkt diese Auftriebskraft.

    Oft werden Auftriebskraft und Gewichtskraft miteinander verrechnet, man spricht dann von der reduzierten Gewichtskraft, da sie kleiner ist als die Gewichtskraft im Vakuum.

    Eine Reibungskraft wirkt auf alle bewegten Körper. Da das Öltröpfchen schwebt, bewegt es sich nicht und es wirkt daher auch keine Reibung.

    Da im Kondensator nur ein elektrisches Feld entsteht, wirkt auch keine magnetische Kraft auf das Öltröpfchen.

  • Beschreibe den Ablauf des Millikan-Versuchs.

    Tipps

    Überlege, was in den beiden Versuchsteilen des Millikan-Versuchs jeweils geschieht.

    Gibt es einen Zusammenhang zwischen Radius und Volumen?

    Lösung

    Um den Text zu vervollständigen, ist es hilfreich, sich zuerst einmal vor Augen zu führen, aus welchen zwei Teilen das Experiment besteht.

    In dem einen Teil schwebt ein Öltröpfchen in einem eingeschalteten Kondensator. Das heißt, die reduzierte Gewichtskraft und die Coulombkraft müssen entgegengesetzt gleich sein.

    Da die Gewichtskraft von der Masse des Öltröpfchens abhängig ist, müssen wir in dem zweiten Teil des Versuchs den Radius des kugelförmigen Öltröpfchens bestimmen, um daraus das Volumen und über die reduzierte Dichte seine Masse zu bestimmen.

    Wenn man nun reduzierte Gewichtskraft und Coulombkraft gleichsetzt, kann man die Ladung Q bestimmen.

    Diese Gleichung war im Video gegeben, du kannst aber versuchen sie mit diesen Informationen selbst herzuleiten.

  • Nenne die Eigenschaften der Öltröpfchen, die Millikan in seinem Versuch untersuchte und berechne ihr Volumen.

    Tipps

    Stelle dir ein Öltröpfchen vor.

    Was weißt du über Öl?

    Lösung

    Anstelle Wassertröpfchen zu verwenden, brachte Millikan in den Kondensator Öltröpfchen ein. Der Vorteil ist vor allem, dass es schwerflüchtig ist. Das heißt, es verdampft nicht so schnell wie ein Wassertropfen. Es ist nämlich wichtig, dass der Tropfen bei dem Versuch lange seine Größe beibehält, da diese erst im zweiten Versuchsteil indirekt gemessen wird.

    Es mag verwunderlich sein, dass Öl eine geringere Dichte als Wasser hat. Da die Viskosität von Öl größer ist, haben wir den Eindruck, dass es schwerer ist. Wenn du dich jedoch daran erinnerst, dass die Fettaugen im Topf immer oben schwimmen, ist schnell klar, dass die Dichte von Öl tatsächlich geringer ist.

    Da davon ausgegangen wird, dass die Öltröpfchen als feine Kugeln vorliegen, kann man deren Volumen mit der Volumenformel für das Kugelvolumen bestimmen. Sie lautet: $V=\frac{4}{3}\cdot \pi \cdot r^3$. Wenn man hier den Term für r einsetzt, erhält man eine der anderen beiden Formeln. Diese sind somit beide korrekt.

  • Gib an, wofür Robert Andrews Millikan 1923 den Nobelpreis für Physik bekam.

    Tipps

    Wozu dient der Millikan-Versuch?

    Lösung

    Die Coulombkraft im Kondensator kann man mit der folgenden Gleichung bestimmen, der Zusammenhang war aber schon vor dem Millikan-Versuch bekannt: $F_{el}=Q\cdot \frac{U}{d}$

    Ein Öltröpfchen kann im Kondensator tatsächlich so etwas wie Bodyflying machen und schweben, einen Menschen würde das Öl jedoch nicht tragen können.

    Dass es eine kleinste Ladung e geben müsste, vermutete schon 1750 der Physiker Benjamin Franklin.

    Kurz vorher wurde etwa 1745 von zwei verschiedenen Wissenschaftlern, die unabhängig voneinander arbeiteten, der erste Kondensator entwickelt. Da einer dieser beiden der deutsche Physiker von Kleist war, wurde der Kondensator unter anderem als Kleistsche Flasche bekannt.

    Mit dem Millikan-Versuch gelang es, den Betrag der Elementarladung sehr genau zu bestimmen.

  • Bestimme mit Hilfe des Millikan-Versuchs die Ladung eines Öltröpfchens sowie den Faktor N.

    Tipps

    $g=9,81 ~ \frac{\text{m}}{\text{s}}$

    Achte auf die Einheiten.

    Lösung

    Eigentlich müssen wir die gegebenen Werte nur in die angegebene Formeln einsetzen.

    Vorher muss jedoch aus den oben angegebenen Informationen die Geschwindigkeit berechnet und der Plattenabstand in Meter umgerechnet werden.

    $\begin{align*} Q&=9\cdot \sqrt{2} \cdot \pi \cdot \frac{d}{U}\cdot \sqrt{\frac{\eta^3\cdot v^3}{\rho' \cdot g}}\\ &=9\cdot \sqrt{2} \cdot \pi \cdot \frac{0,003 \text{ m}}{42 \text{ V}} \cdot \sqrt{ \frac{(1,83\cdot 10^{-5} \frac{\text{N}\cdot \text{s}}{\text{m}^2} )^3 \cdot ( 2,6 \cdot 10^{-5} \frac{\text{m}}{\text{s}})^3 }{ 880 \text{ kg}\cdot 9,81 \frac{\text{m}}{\text{s}^2} } }\\ &\approx 3,19\cdot 10^{-19} \text{ C} \approx 2\cdot e\\ \end{align*}$