Mit Hilfe von Elektronenstrahlen in einem B-Feld lässt sich die Ladung eines Kilogramms Elektronen bestimmen, jedoch nicht die Ladung eines einzelnen Elektrons - die Elementarladung.
Die Bestimmung dieser mit einer der Varianten des Millikan-Versuches habe ich mir für meine Facharbeit im jahre 2009 vorgenommen.
Hierzu ging ich wie folgt vor, zunächst erläuterte ich das eingangs geschilderte Problem, beleuchtete sodann die Grundlagen, den Aufbau sowie die verschiedenen Varianten des Versuches, um dann die benötigten Formeln herzuleiten und auf meine Messwerte anzuwenden.
Letztendlich stellte sich heraus, dass mein experimentell ermittelter Wert der Elementarladung um lediglich 2,7% vom Literaturwert abwich.
Inhaltsverzeichnis
I. Einleitung
1. Die Biographie von Robert Andrews Millikan
2. Der Millikan-Versuch
2.1 Problemstellung (e-/m Bestimmung)
2.2 Die Grundlagen und der Aufbau des Millikan-Versuches
2.3 Die verschiedenen Varianten des Millikan-Versuches
2.4 Die Theorie zur Bestimmung der Tröpfchenladung
2.5 Anwendung der Formeln auf die Versuchsergebnisse und Bestimmung der Elementarladung
3. Fazit und Reflexion
4. Anhang
4.1 Quellenverzeichnis
4.2 Arbeitstagebuch
4.3 Schaltskizze und Bilder
4.4 Excel Formeln
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Facharbeit ist die praktische und theoretische Nachvollziehung des Millikan-Versuchs, um die Elementarladung zu bestimmen und experimentell zu zeigen, dass elektrische Ladung nur in ganzzahligen Vielfachen dieser Elementarladung auftritt.
- Biografie und Wirken von Robert Andrews Millikan
- Physikalische Grundlagen und experimenteller Aufbau des Öltröpfchenversuchs
- Vergleich verschiedener Versuchsmethoden (Gleichfeld-, Sink-/Steig-, Schwebemethode)
- Mathematische Herleitung der Tröpfchenladung und Auswertung der Messdaten
- Kritische Reflexion der experimentellen Genauigkeit und der technischen Umsetzung
Auszug aus dem Buch
2.4 Die Theorie zur Bestimmung der Tröpfchenladung
Nachdem die Methodik und die Grundlagen des Versuches dargestellt sind, soll nun die Theorie zur Bestimmung der Tröpfchenladung erläutert werden. Dazu wird zunächst untersucht, welche Kräfte im Einzelnen bei der Sink- und Steigbewegung wirken.
Damit die Kräfte in ihrem Zusammenspiel tatsächlich ein Gleichgewicht ergeben, muss die Annahme gelten, dass die Sinkgeschwindigkeit des Tröpfchens konstant ist. Tatsächlich ist sie es zumindest auf einem Teil der zurückgelegten Strecke jedoch nicht. Da aber der Radius des Tröpfchens äußerst gering ist und mit zunehmender Geschwindigkeit auch die Stokes’sche Reibungskraft proportional zu dieser zunimmt, erreicht das negativ geladene Öltröpfchen nach kürzester Zeit seine maximale Fallgeschwindigkeit. Die nach unten wirkenden Kräfte ( FG und Fel ) und die nach oben wirkende Stokes’sche Reibungskraft ( FLR1 ) heben sich auf, man erhält somit ein Kräftegleichgewicht.
Fel + FG = FLR1
Zusammenfassung der Kapitel
I. Einleitung: Der Autor erläutert seine Motivation, den Millikan-Versuch als Thema für die Facharbeit zu wählen, und formuliert die Zielsetzung des Experiments.
1. Die Biographie von Robert Andrews Millikan: Dieses Kapitel gibt einen historischen Überblick über das Leben, die akademische Laufbahn und die wissenschaftlichen Leistungen von Robert Andrews Millikan.
2. Der Millikan-Versuch: Dieses zentrale Kapitel behandelt die Problemstellung, den experimentellen Aufbau, die verschiedenen Varianten des Versuchs sowie die detaillierte theoretische Herleitung der Ladungsberechnung und die Auswertung der Messergebnisse.
3. Fazit und Reflexion: Der Autor bewertet seine Messergebnisse im Vergleich zum Literaturwert und reflektiert kritisch über die Herausforderungen bei der Durchführung des Experiments.
4. Anhang: Dieser Teil enthält das Quellenverzeichnis, das Arbeitstagebuch, die verwendete Schaltskizze sowie die genutzten Excel-Formeln.
Schlüsselwörter
Millikan-Versuch, Elementarladung, Öltröpfchen, Physik, Stokes-Reibung, Kräftegleichgewicht, Elektronenladung, Gleichfeldmethode, Messfehler, Physikalisches Experiment, Laborversuch, Elektrostatik, Ladungsbestimmung, Physikgeschichte.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Facharbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Durchführung und Auswertung des Millikan-Versuchs, um die physikalische Elementarladung experimentell zu bestimmen.
Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Die Schwerpunkte liegen auf der historischen Einordnung durch Millikans Biografie, der theoretischen Herleitung physikalischer Gesetze und der praktischen Anwendung einer gewählten Versuchsmethode zur Ladungsbestimmung.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist es, die Ladung einzelner Öltröpfchen zu ermitteln und zu belegen, dass Ladungen ausschließlich als ganzzahlige Vielfache der Elementarladung existieren.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Der Verfasser nutzt für seine Messreihe die Gleichfeldmethode, bei der Sink- und Steigzeiten von Öltröpfchen im elektrischen Feld gemessen werden.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil umfasst den Aufbau des Experiments, die theoretische Herleitung der Formeln unter Berücksichtigung von Reibungskräften sowie die Auswertung der gewonnenen Messdaten mittels Excel.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit lässt sich primär durch die Begriffe Millikan-Versuch, Elementarladung, Öltröpfchen und Kräftegleichgewicht beschreiben.
Warum wurde die Gleichfeldmethode für den Versuch gewählt?
Der Autor entschied sich für diese Methode, da sie im Vergleich zur Schwebemethode geringere Messungenauigkeiten aufweist und die Herleitung der benötigten Formeln einfacher strukturiert ist.
Welche Herausforderungen traten bei der Durchführung auf?
Technische Probleme mit dem Equipment, insbesondere bei den Stoppuhren und dem Umpolen des elektrischen Feldes, erschwerten die Messungen und zwangen den Autor zu Kompromissen bei der Beobachtung der Tröpfchen.
- Arbeit zitieren
- Florian Heitkamp (Autor:in), 2009, Die Bestimmung der Elementarladung durch den Millikan-Versuch, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/169658
