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Millikan-Versuch einfach erklärt: Wie funktioniert das Millikan-Experiment?

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2005

1.11.2022

Physik

Millikan-Versuch

Millikan-Versuch einfach erklärt: Wie funktioniert das Millikan-Experiment?

Der Millikan-Versuch ist ein grundlegendes physikalisches Experiment zur Bestimmung der elektrischen Elementarladung.

Der Millikan-Versuch Aufbau besteht aus zwei horizontal angeordneten Metallplatten, zwischen denen ein elektrisches Feld erzeugt wird. Durch einen Zerstäuber werden kleine Öltröpfchen in den Zwischenraum eingebracht. Diese Tröpfchen werden durch eine Röntgenquelle ionisiert und können durch das elektrische Feld nach oben oder unten bewegt werden. Durch präzise Messung der Bewegung dieser Öltröpfchen unter verschiedenen elektrischen Feldstärken konnte Millikan nachweisen, dass elektrische Ladungen nur in ganzzahligen Vielfachen einer kleinsten Einheit - der Elementarladung - auftreten können.

Die Gleichfeldmethode und die Schwebemethode sind die zwei hauptsächlichen Messmethoden beim Millikan-Versuch. Bei der Gleichfeldmethode wird die Geschwindigkeit der Öltröpfchen bei konstantem elektrischen Feld gemessen. Die Schwebemethode hingegen bestimmt die elektrische Feldstärke, bei der sich die Gravitationskraft und die elektrische Kraft gegenseitig aufheben, sodass das Tröpfchen schwebt. Für genaue Ergebnisse muss die Cunningham-Korrektur berücksichtigt werden, die den Einfluss der Luftreibung auf sehr kleine Tröpfchen korrigiert. Das physikalisch bedeutsamste Ergebnis des Experiments war der Nachweis der Quantelung der elektrischen Ladung mit einem Wert von etwa 1,602 × 10^-19 Coulomb. Moderne Simulationen des Versuchs helfen heute Studierenden, die komplexen physikalischen Zusammenhänge besser zu verstehen. Die Berechnung der Ladung erfolgt durch Analyse der Kräftegleichgewichte unter Berücksichtigung von Gravitationskraft, elektrischer Kraft und Reibungskraft.

...

1.11.2022

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Materialien:
- horizontaler Plattenkondensator mit Abstand d
elektrische Quelle
- Zerstäuber
- Lampe für die Beleuchtung
Mikroskop
Skala
Ölt

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Kräftegleichgewicht und Auswertung

Bei der Auswertung des Millikan-Versuchs werden folgende Kräfte berücksichtigt:

  1. Die elektrostatische Kraft FelFel: Sie wirkt aufgrund der Ladung der Öltröpfchen im elektrischen Feld.
  2. Die Gewichtskraft FgFg: Sie zieht die Tröpfchen nach unten.

Im Schwebezustand herrscht ein Kräftegleichgewicht zwischen diesen Kräften. Dies ermöglicht die Berechnung der Ladung der Öltröpfchen.

Die Millikan-Versuch Formel für den Schwebezustand lautet:

FG = FA + Fel

Dabei ist:

  • FG: Gewichtskraft
  • FA: Auftriebskraft
  • Fel: Elektrische Kraft

Definition: Schwebezustand - Ein Zustand, in dem sich die auf einen Körper wirkenden Kräfte gegenseitig aufheben.

Highlight: Die Analyse des Kräftegleichgewichts ist der Schlüssel zur Bestimmung der Ladung der Öltröpfchen.

Um die Ladung q zu berechnen, wird die Formel umgestellt zu:

q = ρo¨lVgρLVgρöl · V · g - ρL · V · g / E

Wobei:

  • V: Volumen des Öltröpfchens
  • g: Erdbeschleunigung
  • ρöl: Dichte des Öls
  • ρL: Dichte der Luft
  • E: Elektrische Feldstärke

Example: Ein typisches Millikan-Versuch Ergebnis könnte Ladungswerte zeigen, die Vielfache von etwa 1,6 · 10^-19 C sind, was der Elementarladung entspricht.

Materialien:
- horizontaler Plattenkondensator mit Abstand d
elektrische Quelle
- Zerstäuber
- Lampe für die Beleuchtung
Mikroskop
Skala
Ölt

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Datenanalyse und Schlussfolgerungen

Die Auswertung des Millikan-Versuchs erfordert eine sorgfältige Analyse der gesammelten Daten. Folgende Schritte sind dabei wichtig:

  1. Messung der Schwebespannung für verschiedene Öltröpfchen
  2. Berechnung der Ladung für jedes Tröpfchen
  3. Erstellung einer Tabelle mit den berechneten Ladungswerten
  4. Analyse der Ladungsverteilung

Bei der Datenanalyse wird oft beobachtet, dass die berechneten Ladungen Vielfache eines kleinsten Wertes sind. Dieser kleinste Wert entspricht der elektrischen Elementarladung.

Highlight: Die Quantisierung der elektrischen Ladung ist das zentrale Ergebnis des Millikan-Versuchs.

Definition: Elementarladung - Die kleinste in der Natur vorkommende freie elektrische Ladung, die einem Elektron oder Proton entspricht.

Die Millikan-Versuch Gleichfeldmethode kann als Alternative zur Schwebemethode verwendet werden. Hierbei wird die Bewegung der Tröpfchen in einem konstanten elektrischen Feld analysiert.

Vocabulary: Gleichfeldmethode - Eine Variante des Millikan-Versuchs, bei der die Tröpfchen in einem konstanten elektrischen Feld beobachtet werden.

Für eine präzise Auswertung muss die Cunningham-Korrektur berücksichtigt werden, die den Einfluss der Luftreibung auf sehr kleine Tröpfchen korrigiert.

Example: Eine typische Millikan-Versuch Aufbau Skizze würde den Plattenkondensator, das Mikroskop und die Beleuchtung in ihrer räumlichen Anordnung zeigen.

Materialien:
- horizontaler Plattenkondensator mit Abstand d
elektrische Quelle
- Zerstäuber
- Lampe für die Beleuchtung
Mikroskop
Skala
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Der Millikan-Versuch: Aufbau und Durchführung

Der Millikan-Versuch Aufbau besteht aus folgenden Hauptkomponenten:

  • Ein horizontaler Plattenkondensator mit einstellbarem Abstand d
  • Eine regelbare elektrische Spannungsquelle
  • Ein Zerstäuber für Öltröpfchen
  • Eine Beleuchtungslampe
  • Ein Mikroskop mit eingeblendeter Skala

Die Durchführung des Experiments, auch bekannt als "Millikan-Versuch - Schwebemethode", erfolgt wie folgt:

  1. Kleine Öltröpfchen werden zwischen die Kondensatorplatten gesprüht.
  2. Durch Reibung laden sich die Tröpfchen elektrisch auf.
  3. Die Bewegung der Tröpfchen wird durch das Mikroskop beobachtet.
  4. Die elektrische Spannung wird so eingestellt, dass einzelne Tröpfchen schweben.

Highlight: Die Beobachtung des Schwebezustands ist entscheidend für die Bestimmung der Ladung der Öltröpfchen.

Vocabulary: Plattenkondensator - Ein Kondensator, der aus zwei parallelen, leitenden Platten besteht.

Example: Ein typischer Aufbau könnte einen Plattenkondensator mit einem Abstand von wenigen Millimetern und eine Spannung von einigen hundert Volt umfassen.

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Physik

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1. Nov. 2022

4 Seiten

Millikan-Versuch einfach erklärt: Wie funktioniert das Millikan-Experiment?

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2005

@2005

Der Millikan-Versuch ist ein grundlegendes physikalisches Experiment zur Bestimmung der elektrischen Elementarladung.

Der Millikan-Versuch Aufbaubesteht aus zwei horizontal angeordneten Metallplatten, zwischen denen ein elektrisches Feld erzeugt wird. Durch einen Zerstäuber werden kleine Öltröpfchen in den Zwischenraum eingebracht. Diese Tröpfchen... Mehr anzeigen

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Kräftegleichgewicht und Auswertung

Bei der Auswertung des Millikan-Versuchs werden folgende Kräfte berücksichtigt:

  1. Die elektrostatische Kraft FelFel: Sie wirkt aufgrund der Ladung der Öltröpfchen im elektrischen Feld.
  2. Die Gewichtskraft FgFg: Sie zieht die Tröpfchen nach unten.

Im Schwebezustand herrscht ein Kräftegleichgewicht zwischen diesen Kräften. Dies ermöglicht die Berechnung der Ladung der Öltröpfchen.

Die Millikan-Versuch Formel für den Schwebezustand lautet:

FG = FA + Fel

Dabei ist:

  • FG: Gewichtskraft
  • FA: Auftriebskraft
  • Fel: Elektrische Kraft

Definition: Schwebezustand - Ein Zustand, in dem sich die auf einen Körper wirkenden Kräfte gegenseitig aufheben.

Highlight: Die Analyse des Kräftegleichgewichts ist der Schlüssel zur Bestimmung der Ladung der Öltröpfchen.

Um die Ladung q zu berechnen, wird die Formel umgestellt zu:

q = ρo¨lVgρLVgρöl · V · g - ρL · V · g / E

Wobei:

  • V: Volumen des Öltröpfchens
  • g: Erdbeschleunigung
  • ρöl: Dichte des Öls
  • ρL: Dichte der Luft
  • E: Elektrische Feldstärke

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  1. Messung der Schwebespannung für verschiedene Öltröpfchen
  2. Berechnung der Ladung für jedes Tröpfchen
  3. Erstellung einer Tabelle mit den berechneten Ladungswerten
  4. Analyse der Ladungsverteilung

Bei der Datenanalyse wird oft beobachtet, dass die berechneten Ladungen Vielfache eines kleinsten Wertes sind. Dieser kleinste Wert entspricht der elektrischen Elementarladung.

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Definition: Elementarladung - Die kleinste in der Natur vorkommende freie elektrische Ladung, die einem Elektron oder Proton entspricht.

Die Millikan-Versuch Gleichfeldmethode kann als Alternative zur Schwebemethode verwendet werden. Hierbei wird die Bewegung der Tröpfchen in einem konstanten elektrischen Feld analysiert.

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Der Millikan-Versuch: Aufbau und Durchführung

Der Millikan-Versuch Aufbau besteht aus folgenden Hauptkomponenten:

  • Ein horizontaler Plattenkondensator mit einstellbarem Abstand d
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  1. Kleine Öltröpfchen werden zwischen die Kondensatorplatten gesprüht.
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Vocabulary: Plattenkondensator - Ein Kondensator, der aus zwei parallelen, leitenden Platten besteht.

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Stefan S

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Samantha Klich

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Hans T

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