O Experimento das Gotas de Óleo de Millikan

fala pessoal tudo bem Hoje nós estamos aqui de novo no laboratório de física moderna da Universidade tecnológic Federal do paran hoje comir que vai mostrar experimento pra gente isso aí Oi pessoal tudo bem eu vou mostrar para vocês hoje o experimento clássico né da física que é o experimento da Gota de óleo de isso já de começo nós queremos agradecer o professor e professor que são eles que possibilitam a gente fazer esses vídeos latório e também oriento na realização dos experimentos né exatamente bom vamos começar então então vamos lá ô Dair você comentou agora no

começo do vídeo que o nome do experimento de hoje é experimento de milic isso e Eu presumo que milic seja o nome do cientista e não de um fenômeno ex sim então antes de começar eu queria que você explicasse pra gente o que que a gente tá tentando encontrar nesse experimento O que que a gente vai procurar para descobrir fazendo esse experimento tá esta é uma boa pergunta né antes de mais nada é importante nós observarmos que a matéria né do universo ela é composta por eh partículas né Muito pequenas chamadas átomos bom esses átomos

compõem todas as coisas materiais do universo né e os átomos se unem para formar as moléculas bem eh todo átomo tem duas partes né ele tem um núcleo tá onde nós temos ali os prótons e os nêutrons e nós temos uma nuvem negativa né ao redor deste uma nuvem ao redor desse núcleo que é a eletrosfera que é composta por partículas chamadas elétrons né bom o importante é que vocês saibam que a matéria né ela tem propriedades fundamentais assim como a matéria tem massa né Ela também tem uma propriedade muito importante chamada carga elétrica né

então nós temos dois tipos de cargas na natureza né as cargas convencionadas como positivas né e as cargas convencionadas como negativas convencionou-se que o próton tem carga elétrica positiva né e o elétron tem carga elétrica negativa o nêutron não tem carga elétrica e em média né a matéria do universo ela é neutra né Ou seja a quantidade de prótons é igual a quantidade de elétrons eh bom o importante que nós devemos eh ver nesse experimento aqui é que o elétron né a carga do elétron é a menor carga da natureza tá por isso nós dizemos

que a carga do elétron é a carga elementar né ela vale 1,6 x 10 elevado -19 coub é uma carga muito pequena né e esse é um número muito diferente do qual nós estamos acostumados a trabalhar né Eh E é difícil imaginar como alguém né conseguiu né medir o valor dessa carga elétrica né então neste pequeno vídeo eu vou mostrar para vocês né Como que o MCA né No começo do século passado conseguiu medir a carga el do elé Ah então beleza então acho que ficou bem claro ficou n dá pra gente começar a fazer

experimento bem então agora nós vamos detalhar né as partes do nosso equipamento tá que nós vamos realizar a experiência da da Gota de Mía né então Aqui nós temos uma fonte de alimentação tá uma fonte de tensão aqui nós estamos entrando com 220 V tá E essa fonte é transforma esse 220 em 600 V né ou seja nós temos um transformador aqui dentro que está elevando a tensão para e 600 V né E essa tensão gerada por essa fonte está sendo lida né está sendo medida por este aparelho aqui que é um voltímetro né então

Eh nós estamos entrando com corrente alternada tá e o que esse voltímetro faz é ler a tensão que nós vamos aplicar no equipamento né Então nesse botão aqui eu estou regulando a tensão Estou aumentando vocês percebem que o voltímetro tá lendo aqui né bom essa fonte de alimentação ela aplica a tensão entre as placas deste capacitor né O que que é um capacitor é um sistema constituído por duas placas planas paralelas né E essas placas elas são carregadas com cargas elétricas Opostas então por exemplo se essa placa de cima ficar positiva a placa de baixo

fica negativa então Eh existe um campo elétrico aqui dentro desse capacitor tá E este campo elétrico ele é muito intenso por quê Porque a distância entre as placas aqui é muito pequena aqui é 2,5 eh cm né a distância entre as placas então nós temos um campo elétrico muito intenso isto aqui é um borrifador tá esse borrifador tem por função pulverizar né gotículas Aqui dentro deste capacitor esta substância aqui que nós estamos eh borrifando é o silicone o milic Originalmente usou o óleo né Nós estamos usando aqui o silicone então eu pulverizou né através desse

borrifador as gotas Aqui dentro deste capacitor como são gotículas muito pequenas né Nós precisamos de um sistema ótico né um jogo de lentes para enxergarmos essas gotículas então Aqui nós temos temos um microscópio tá e dentro deste microscópio existe uma escala com 30 divisões tá que E essas 30 divisões correspondem a 0,29 MM como nós vamos explicar depois tá então basicamente são essas as partes do equipamento tá e eu como eu havia falado né então o capacitor é esse sistema com duas placas que são carregadas com cargas Opostas né essa chave aqui é uma chave

inversora tá ela tem por função inverter a polaridade das placas do capacitor então por exemplo se a placa de cima ficar positiva eu venho inverto a posição da chave e essa placa fica negativa tá essa chave aqui então ela permite inverter o sentido do campo elétrico dentro do capacitor tá então basicamente são essas as partes do equipamento bom pessoal aí na tela vocês estão observando então e aquela escala né que eu havia dito antes né escala de 30 divisões só que aí na tela vocês estão observando apenas uma parte dessa escala tá então o primeiro

passo aqui que nós vamos fazer é borrifar as gotículas de silicone dentro do capacitor tá então vocês estão observando aí algumas gotículas né E se movimentando algumas gotículas se movimentam para cima algum outras se movimentam para baixo né Se eu mudar a a posição da chave comutadora eu vou inverter o movimento de algumas gotículas mas e eu ainda não entendi o que que essas gotículas aí tem a ver com a carga do elétro bem é isso aí eu vou falar um pouco mais paraa frente tá antes eh eu tenho que explicar o que a gente

não está vendo tá nessas gotículas O que que está atuando nessas gotículas o que faz essas gotículas algumas subirem outras descerem então nos precisamos falar das forças que agem nas gotículas né Bem pessoal aí na tela vocês estão observando uma gota que está subindo né vamos analisar as forças que agem sobre esta gota então nós temos quatro forças a força peso que é devida à gravidade que está eh apontando para baixo existe a força de arraste que é devida a viscosidade tá Que também está apontando para baixo a força de arrast é sempre contrária ao

sentido da velo existe a força de empuxo tá nós temos ar dentro do capacitor Então existe o empuxo devido ao ar né que está apontando para cima e aí também existe a força elétrica tá Por que que existe a força elétrica quando eu pulverizou as gotículas quando eu borrifo as gotículas o próprio ato de pulverizar faz com que algumas dessas gotículas adquire carga elétrica então na pulverização existe uma fricção entre essas gotículas que ioniza apenas algumas dessas gotículas por isso que vocês observaram que apenas algumas gotas invertem o sentido de movimento né quando eu eu

mudo a posição da chave comutadora tá então como a essa gotícula tem uma carga elétrica e como ela está dentro de um campo elétrico que é criado pelo capacitor a eletrostática nos ensina que se tem carga e tem campo tem força elétrica né então existe uma força elétrica que aí está apontando para cima né E e essa força elétrica ela é proporcional a ao a carga elétrica da Gota na tela ao lado vocês estão observando uma gota que está descendo né porque eu mudei a posição da chave comutadora então eu inverti o sentido do campo

elétrico e se eu inverti o sentido do campo elétrico portanto eu também inverto o sentido da força elétrica né aí a força elétrica está no mesmo sentido do Peso tá ambas apontando para baixo e as forças de empuxo e de arraste estão apontando agora para cima repare que a força de arraste agora ela inverteu o seu sentido né porque ela é sempre contrária à direção da velocidade Então agora você já pode explicar pra gente qual a relação dessas gotas e o experimento com a carga do elétron certo então vejam só eh como eu já havia

dito né quando nós borrifamos então as gotículas dentro do capacitor eh algum as gotículas apenas adquirem carga elétrica né pelo processo ali de fricção então algumas gotículas acabam se carregando né adquirindo carga elétrica e o objetivo desse experimento é determinar a carga da gota tá então nós que nós vamos fazer aqui é determinar a carga elétrica da gota tá eh e essa carga obviamente né Ela depende do número de elétrons que essa gota tem tá então isso eh tem que ficar bem claro né bom depois Eh vamos falar um pouco aqui dos dados né que

nós conseguimos recolher neste equipamento então nós temos que medir a tensão tá através desse voltímetro né entre as placas deste capacitor eh é interessante também nós sabermos a distância entre as placas deste capacitor né a densidade do silicone tá E e as velocidades de subida e de descida né das gotículas ali dentro tá então com todos esses dados Você pode encontrar uma equação né Nós temos uma fórmula que vai permitir determinar a carga elétrica da gota tá pela minha experiência assim com experimentos de Biologia é que eu não entendo sou leigo em física mas para

eu sou biólogo né Eh os equipamentos Eles já trazem alguns dados prontos nesse caso aí também por exemplo ou vocês têm que calibrar tudo a distância entre as placas do capacitor e questão ali do do silicone sim e a as distâncias né entre as placas ali do capacitor isso é padrão né Isso já vem dado né a densidade também do silicone já nós temos e a tensão né Nós lemos através desse voltímetro o que nós precisamos determinar aqui né indiretamente não pelo equipamento são as velocidades de subida e de descida E para isso nós utilizamos

um software né de videoanálise que é o Tracker né é um software livre ou seja qualquer um pode baixar gratuitamente então tem como você mostrar pra gente como é que isso funciona claro vamos solar lá beleza bom então aí vocês estão vendo né o Tracker tá e o que nós vamos fazer é é dar um exemplo né de como o Tracker permite determinar as velocidades de subida e de descida da Gota né que é um dado que nós vamos precisar ter para calcular a carga eh da gotícula Então primeiramente vamos importar um vídeo né Eh

que nós gravamos dessas gotículas tá depois nós vamos colocar os eixos né ou seja esses eixos e definem uma origem tá que o Tracker vai tomar como referência depois nós precisamos de uma régua tá como Aquela escala que eu mostrei para vocês tem 30 divisões vamos pegar 10 divisões Então esta régua está marcando aí as 10 divisões tá fazendo uma regrinha de três nós encontramos que essas 10 divisões da 0,297 mm tá E vamos também selecionar aqui a quantidade de quadros Tá eu vou pular de quatro em quatro quadros para facilitar a marcação das gotículas

bom o próximo ponto é você marcar o ponto da Gota então aqui em novo né ponto de massa nós podemos fazer isso então você vai clicando em cima da Gota para marcar cada posição dela e ele vai pulando automaticamente né Eh o que que o Tracker faz então ele Analisa né o o tempo tá que a gota demora para percorrer um determinado número de divisões né e uma determinada distância percorrida e sabendo a distância percorrida né que ele toma como referência a régua e o os valores de tempo né a quantidade de quadros ele consegue

determinar a velocidade né isso nós podemos fazer tanto pra subida quanto pra descida Então tá você disse que você recolhe desse experimento alguns dados e o que que você faz com eles tá então nós precisamos agora pegar todas essas informações né que nós recolhemos e utilizar uma equação tá uma equação que vai me dar a carga elétrica adida pela gota essa equação Vocês estão vendo aqui embaixo na tela né a carga elétrica aqui da Gota ela eh depende aí do esse pi né o número pi 3,14 D é a distância entre as placas do capacitor

u é a tensão entre as plaques do capacitor esse eta é a viscosidade né o coeficiente de viscosidade do ar tá G é aceleração da gravidade né esse R do é a densidade do silicone e esse outro é a densidade R do ar tá E e aí depois nós temos as velocidades né de subida e de descida que são dadas pelo software Tracker né então a aí resolvendo toda essa equação você tem a carga do elétron não você você calcula né Nós estamos calculando a carga elétrica da gota tá a não ser que essa gota

tenha apenas um elétron né Eh durante o processo como eu já falei né de pulverização e existem as gotículas elas adquirem cargas né Elas vão aderir elétrons ou perder esses elétrons então nós estamos determinando a carga elétrica da gota tá e conhecendo a carga elétrica da Gota né e fazendo milhares de experiências de de medidas né como mican fez é possível você eh perceber que a carga da Gota é sempre múltiplo inteiro de um valor fixo né É sempre múltiplo inteiro então a carga da Gota depende do número de elétrons que ela tem né pode

ter dois elétrons 3 1 5 10 100 elétrons né e fazendo essa análise de milhares de medidas nós notamos que a carga da Gota ela é sempre múltiplo inteiro de uma quantidade fixa que é a carga do elétron 1,6 x 10 elevado -19 C né que é a carga fundamental então por isso que se diz que a carga elétrica ela é quantizada Ah entendi então quer dizer que ah dessas análises que vocês fazem por exemplo você pode encontrar eh uma gota que tem esse 1,6 x 10 a-1 né que você falou ou duas vezes isso

três vezes isso depende do número depende do número de elétrons Ou seja a carga é sempre né É quantizada tá ela tem ela não pode ter um valor intermediário é sempre múltiplo inteiro né 1 x 1,6 2 x 1,6 3 x 1,6 é isso que quer dizer quantizado é isso que quer dizer quantizado Ah tá e quanto tempo milikan levou para fazer porque pelo que você falou ele fez isso milhares de vezes né para tentar Ah para conseguir encontrar essa essa razão quanto tempo ele levou para para conseguir obter esses resultados É é até para

ele montar né todo o equipamento levou muitos anos né E só a partir de 1907 na universidade de Chicago é que ele consegue as os primeiros resultados né para medir essa carga eh Fundamental e mas só em 1911 é que ele conseguiu valores muito precisos né então já a partir de 1911 nós podemos dizer que já sabia Com certeza a carga elementar né E aí 1923 né ele se torna o primeiro americano a ganhar o prêmio Nobel de Física tá você comentou que ele ganhou o Nobel tal então quer dizer que eh esse experimento e

essa descoberta realmente ela é bem importante você podia falar um pouquinho o porquê que é importante enfim falar um pouquinho sobre eh descoberto tá bem eh nós podemos começar essa história né essa preocupação e saber a a carga fundamental da natureza eh a partir do ano de 1897 né quando o físico inglês John Thomson né o JJ Thomson né Eh começou a realizar experiment entos com os tubos de raios catódicos tá os tubos das televisões antigas né então e já eh naquela época se sabiam que esses raios catódicos eles eram desviados por Campos magnéticos como

se fossem partículas negativamente carregadas Thomson foi o primeiro a perceber que E essas partículas né esses raios catódicos eles também eram desviados defletidos por pela ação de Campos elétricos né então ou seja esses raios catódicos também eram partículas negativamente carregadas né e o que Thomson fez com seu estudos de raios catódicos é fazer o seguinte e fazer um cátodo né um eletrodo emitir essas partículas esses raios catódicos né então ele usou vários materiais Ele usou eletrodos de alumínio eletrodos de chumbo de Ferro né e ele notou que essas partículas eram arrancadas desse eletrodo tá e

e e o que que ele fez ele notou que a razão carga massa dessas partículas é a mesma né na verdade Tonso não mediu nem a massa nem a carga Ele mediu a razão carga massa para essas partículas e notou que essa razão e era sempre a mesma né bom eh e da aí né Eh ele usava o nome de corpúsculos né para essas partículas o nome elétron já havia desde 1891 né pelo físico George ston tá o nome elétron já havia então uma vez né descoberto o elétron né pelo toxo e dividido o átomo

né restava a tarefa crucial de se medir a carga deste elétron né e a massa do elétron né E aí isso só foi feito com a experiência do MCA né da Gota de óleo em 1911 tá bom eh na verdade e antes de millica né o Thomson já tentou também medir a carga elétrica desses elétrons né ele utilizava uma câmara do Wilson que era um dispositivo né Eh onde você fazia uma nuvem de vapor de água para identificar o Rastro né de partículas Muito pequenas só que haviam problemas muitos problemas técnicos um deles era que

a água evaporava né E aí só o Mica Então teve a ideia de usar óleo né como solução desse desses problemas tá e agora atualmente assim que nós temos mais tecnologia mais informação a a carga do elétron continua sendo considerada a menor carga da natureza sim eh nós sabemos que de acordo com o modelo padrão né o elétron permanece ainda como uma partícula elementar né ele não tem estrutura interna tá a carga do próton é igual à carga do elétron tá o próton também tem carga né positiva 1,6 10 -1 C né só que nós

sabemos hoje que o próton ele é composto por três quares né E então logo a carga de cada quark é fracionada é 1/3 da carga elementar no entanto nós não conseguimos identificar os quarks isolados né não é possível você isolar um quark os quares eles sempre estão confinados né dentro dos hadrons que são os prótons os nêutrons por exemplo Então por isto né por essa razão a carga do elétron ainda permanece como a menor carga da natureza entendi e assim eu sempre faço essa pergunta com Os experimentos eh esse experimento de milikan ele tem alguma

utilidade prática no dia a dia alguma coisa nesse sentido não ele tem ele não tem nenhuma utilidade prática né ele tem uma grande importância teórica dentro da física porque foi o primeiro experimento que permitiu né a medir a menor carga da natureza né Eh e obviamente né a instrumentação que o min teve que usar né possibilitou um grande avanço na parte instrumental da física né usar novos equipamentos novas técnicas então isso teve uma grande importância teórica né agora importância técnica né prática não tem certo então era isso que a gente queria mostrar para vocês Quero

Agradecer que O Odir por ter apresentado experimento milic e explicado de uma maneira muito boa pra gente todos ess esquema bom eu agradeço né a oportunidade de vocês eh estarem aqui para a gente entender um pouco mais né da da nossa fíica e se você gostou desse vídeo e quer que o cência curiosa Produza mais vídeos aqui no laboratório mostrando eh mais equipamentos de física moderna e tal então você pode ajudar clicando no gostei ou favoritando o vídeo e eu encontro vocês na próxima aula até lá tchau