Expérience de Milikan: détermination de la charge élémentaire

Expérience de Milikan: détermination de la charge élémentaire
Notions et contenus
Champ électrostatique
Champ de pesanteur local
Compétences attendues
Comprendre comment la notion de champ a émergé historiquement
d’observations expérimentales.
Doc.1 : Description et schéma de l'expérience de Millikan
Millikan a utilisé le champ électrique d'un condensateur pour établir l'existence d'une charge
élémentaire et déterminer sa valeur e. Quelles sont les difficultés de cette entreprise? Étudions cette
expérience des "gouttes d'huile".
De petites gouttes d'huile sont pulvérisées dans
la chambre supérieure de l'appareil où elles
acquièrent une charge électrique négative. Pour
mesurer la valeur de cette charge, on crée un
champ électrique uniforme entre deux plaques
A et B, tel que des gouttes d'huile portant une
charge q peuvent y être immobilisées. L'analyse
des forces qui s'exercent sur la goutte d'huile
permet alors de calculer la valeur de la charge
q. Ce calcul nécessite de déterminer la taille et
la masse de la goutte.
Robert A. Millikan
En reproduisant un très grand nombre de fois
(1868-1953) a reçu le prix
l'expérience, avec des conditions différentes,
Nobel de physique en 1923,
Millikan a établi que la charge des gouttes
pour ses travaux sur la
charge de l'électron.
d'huile était quantifiée, c'est-à-dire, que les
gouttes d'huile portaient une charge multiple de la valeur constante 1,6.10-19 C (on la
nomme valeur de la charge élémentaire, notée e).
Par exemple, les gouttes n° 1, 2, 3, 4 portent respectivement les charges :
q1 = 6,4.10-19 C ; q2 = - 3,2.10-19 C ; q3 = - 4,8.10-19 C ; q4 = - 1,6.10-19 C. Millikan en déduisit que la goutte n° 1
portait un excès de 4 électrons, la goutte n° 2 de 2 électrons, etc…
Doc.2 : Champ électrostatique
Doc.3 : Champ de pesanteur
Le champ électrostatique est un champ vectoriel.
La relation entre le champ électrostatique en un
point A et la force électrostatique qui s'exerce sur un
corps ponctuel portant une charge q et placé en ce
point A est:
Le champ de pesanteur est un champ vectoriel.
La relation entre le champ de pesanteur en un point
A et le poids d'un objet de masse m placé en ce
point A est:
-
L'origine de est le point A
La direction est la même que celle de
Les sens de et sont les mêmes si q > 0,
opposés si q < 0
La valeur de E est donnée par
Avec F en Newtons (N); q en Coulombs (C) et
E en N.C-1.
-
L'origine de est le point A
La direction de est verticale comme celle de
-
Les sens de est vers le bas
La valeur de g est donnée par
Avec P en Newtons (N); m en kilogrammes
(kg) et g en N.kg-1.
1) Quelles sont les forces qui s'exercent sur une goutte dans l'espace entre les plaques A et B où règne un
champ électrique uniforme (on négligera la poussée d'Archimède exercée par l'air sur la goutte).
2) Une goutte de masse m et de charge q est immobile entre les deux plaques A et B.
a) Représenter à l'aide d'un schéma les forces qui s'exercent la goutte.
b) Pour que la goutte puisse être en équilibre, quel doit être le sens du champ électrique entre les
plaques? Quelle est la plaque chargée positivement ? La plaque chargée négativement ?
c) Établir la relation donnant la valeur de la charge q en fonction de la masse m de la goutte et de la valeur
E du champ électrique.
d) En déduire l’expression de q en fonction de m, de la tension UAB entre les deux plaques A et B et de la
distance d entre ces deux plaques.
3) Quels sont les problèmes rencontrés par le physicien pour déterminer, à partir de cette expérience, la
valeur de la charge q de la goutte ?