MILLIKAN, LA UNIDAD DE CARGA ELÉCTRICA
1- Explicación de la hipótesis de Symmer acerca del fluido vítreo (+) y el fluido resinoso (-) desde el punto de vista de tus conocimientos de la electrostática. Puedes incluir tus propias fotos o vídeos de pequeños experimentos electrostáticos (recuerda lo que estudiaste el año pasado en Tecnología).
La electrostática, analiza los efectos mutuos que se producen entre los cuerpos como consecuencia de su carga eléctrica, es decir, el estudio de las cargas eléctricas en equilibrio. La carga eléctrica es la propiedad de la materia responsable de los fenómenos electrostáticos, cuyos efectos aparecen en forma de atracciones y repulsiones entre los cuerpos que la poseen.
La hipótesis de Symmer cita “que admite dos fluidos muy tenues: el uno positivo o vítreo, y el otro negativo o resinoso, de propiedades antagonistas que se neutralizan al combinarse”:
Cada uno de estos fluidos actúa por repulsión sobre sí mismo y por atracción sobre el otro. Existen estos fluidos en todos los cuerpos en el estado de combinación, formando lo que se denomina fluido neutro. Diferentes causas y sobre todo el frotamiento, alteraría la relación de cantidad de las cargas, provocando el predominio de una de ellas, dando lugar a la aparición de fenómenos eléctricos.
2- Explicar el funcionamiento de un tubo de descarga. ¿Por qué consiguió Thomson desviar los rayos catódicos? ¿Cómo influye la presión del gas enrarecido del interior?
Un tubo de descarga es un tubo de vidrio provisto de dos electrodos, conectados a una fuente de alto voltaje y un gas encerrado en su interior sometido a bajas presiones. Los gases son muy malos conductores de la electricidad, pero cuando estos son sometidos a altos voltajes y a presiones, conducen la corriente y aparece una luminosidad. Si la presión se reduce y el voltaje es suficientemente alto, la conducción persiste la luminosidad del gas disminuye sensiblemente y el cátodo emite unos rayos, los rayos catódicos. Además estos rayos siempre viajan desde el electrodo negativo (cátodo) al positivo (ánodo).
Un inglés, Joseph John Thomson, puso un gran empeño en intentar extraer la máxima cantidad posible de gas del tubo de rayos catódicos. Debido a que hizo el más alto vacío alcanzado en la época, llegó a un punto en el que los rayos catódicos se veían desviados por los campos, tanto eléctrico, como magnético.
3- Explica el modelo de Thomson del átomo e investiga por qué no es un modelo viable según los descubrimientos posteriores.
El modelo atómico de Thomson es una teoría sobre la estructura atómica propuesta en 1904. En este modelo, el átomo está compuesto por:
- Electrones, de carga negativa
- Protones, de carga positiva
- Neutrones, sin carga eléctrica y con una masa mucho mayor que la de electrones y protones.
En los procesos químicos como la electrólisis, algunos electrones superficiales escapaban y el átomo quedaba cargado positivamente en forma de ión. Por lo tanto, los electrones liberados fluían en el medio dando lugar a la electricidad.
Sin embargo, este modelo no es uno viable, ya que el átomo no es macizo ni compacto como suponía Thomson, es prácticamente hueco y el núcleo es muy pequeño comparado con el tamaño del átomo, según demostró Rutherford en sus experiencias.
4- Millikan trabajó en la Universidad de Chicago a las órdenes de Albert Michelson. Describe brevemente el experimento por el que es famoso este investigador. ¿Qué es el éter? ¿Crees que su existencia sigue siendo una hipótesis viable?
El experimento de Michelson y Morley fue uno de los más importantes y famosos de la historia de la física. Realizado en 1887 por Albert Abraham Michelson y Edward Morley, está considerado como la primera prueba contra la teoría del éter. Además, el resultado del experimento constituyó posteriormente la base experimental de la teoría de la relatividad especial de Einstein.
La teoría del éter: Desde la más remota antigüedad se supuso que el espacio del Universo estaba lleno de un fluido sutil, denominado "éter", y se explicaba que el "éter" es lo que impulsa la materia en todo lugar del Universo.
A finales del siglo XIX, se conocía que todas las ondas conocidas necesitaban un medio por el que propagarse, por ejemplo: las olas de un estanque necesitaban el agua, las ondas sísmicas necesitaban la tierra, y el sonido (que ya se conocía que era otra onda) necesitaba el aire para propagarse. Y por lo tanto, en el espacio debería existir un medio, que permitiese que se propagase la luz;al cual se denominó éter, una sustancia de la cual en un principio no sabíamos absolutamente nada. Finalmente, fueron Michelson y Morley los que propusieron un experimento para medir dicho éter.
Experimento:
Lo primero que estos científicos quisieron averiguar era si esta sustancia llamada éter estaba en reposo,o tenía una cierta velocidad. Dado que la Tierra gira en torno al Sol, la velocidad del éter respecto al de la Tierra cambiará a lo largo del año, y esto produciría ligeros cambios en la imagen que nos da la luz. Para ello se utilizó un interferómetro de Michelson, el cual divide la luz que emite un foco luminoso en dos haces, los cuales rebotan en dos espejos y se vuelven a juntar.Los resultados obtenidos en todas ellas fueron nulos, en ningún momento hubo ningún dato que apuntase a que la velocidad de la luz hubiera variado, o lo que es lo mismo, que el éter no tenía ninguna velocidad apreciable.
Personalmente, creemos que la hipótesis de la existencia del éter no es muy posible ya que tanto esta demostración como muchas otras teorías demuestran que esta sustancia no existe.
El modelo atómico de Bohr tenía diferentes órbitas en las que se encontraban los electrones. Estos formaban órbitas pero siempre tendían a estar lo más cerca posible al núcleo. Además las órbitas estaban “predeterminadas” según su carga eléctrica o nivel eléctrico. Según esta explicación; según su carga adoptarían una posición u otra, y por lo tanto cuando su carga varía, también lo hace su posición.
Como podemos observar en la imagen, cada nivel tiene un número máximo de electrones con la carga determinada. Por lo tanto al irradiar las gotas de aceite con rayos x, los electrones se cargan, y por lo tanto su posición también tiene que cambiar. Si resulta que dicha carga no corresponde con ninguno de los niveles, esta se saldrá de la órbita, pues su energía es mayor, y la órbita no la puede soportar. Como resultado, esta energía se convierte en cinética y su velocidad varia. En el caso del vídeo, en sentido contrario a su caída.
De 1909 a 1913, Robert Andrews Millikan desarrolló un conjunto de experimentos en la Universidad de Chicago, mediante los cuales midió la carga del electrón y demostró la naturaleza cuantizada de la carga electrónica.
Los objetivos principales de Millikan al realizar este experimento fueron:
- Realizar un ensamblado con láminas de aluminio, dos lupas, una linterna y una fuente de poder que genere una diferencia de potencial.
- Observar que la fuerza eléctrica se equilibra con la fuerza gravitatoria.
- Analizar el comportamiento de las gotas de aceite dentro de las láminas de aluminio.
- Determinar la masa de la gotita de aceite.
Con todo esto pretendía llegar a calcular la carga del electrón.
El aparato que usó tenía dos láminas metálicas paralelas. A través de un pequeño agujero de la lámina superior se dejan pasar unas gotitas de aceite que han sido cargadas por fricción en un atomizador. Un haz de luz horizontal ilumina las gotitas, las cuales son observadas a través de un telescopio cuyo eje forma ángulos rectos respecto al haz. Cuando se observan las gotitas en esta forma, aparecen como estrellas brillantes contra un fondo oscuro y se puede determinar la velocidad de caída de cada una de ellas.
Millikan basó su experimento matemáticamente de la siguiente manera:
Millikan parte de que la fuerza de resistencia del electrón es igual a la fuerza gravitatoria.
A partir de esto, iguala la fuerza gravitatoria a masa por aceleración y la fuerza del electrón a la carga entre el campo eléctrico entre las capas.
Desde aquí, teniendo en cuenta que la carga de la gota de aceite(q) y la gravedad (g) son constantes, consigue despejar m(masa).El cálculo fue algo más complicado, pero esta es una manera de simplificarlo.
Este experimento requería mucha precisión, por lo que su ejecución no fue nada fácil, además teniendo en cuenta que los materiales no eran tan avanzados como ahora,
7- ¿Qué es el efecto fotoeléctrico? Puedes enseñar alguna aplicación actual de este fenómeno por cuya explicación teórica, Albert Einstein, recibió el premio Nobel. Millikan también comprobó experimentalmente la hipótesis de Einstein aunque dijera de ella que "le falta una base teórica satisfactoria".
El efecto fotoeléctrico es el fenómeno en el que las partículas de luz llamadas fotón, impactan con los electrones de un metal arrancando sus átomos. Durante este proceso el electrón se mueve, dando origen a una corriente eléctrica. Las características del efecto fotoeléctrico son:
- Para cada sustancia hay una frecuencia mínima por debajo de la cual no se producen fotoelectrones por más intensa que sea la radiación.
- La emisión electrónica aumenta cuando se incrementa la intensidad de la radiación que incide sobre la superficie del metal, ya que hay más energía disponible para liberar electrones.
Albert Einstein publicó en 1905 un artículo que trataba el efecto fotoeléctrico y por el cual recibió el premio Nobel de Física en 1922, explicando que no solo la energía, si no que también la materia es discontinua.Einstein suponía que la radiación electromagnética esta formada de paquetes de energía (fotones), y que dicha energía depende de la frecuencia de la luz:
Sabemos que la corriente eléctrica es el movimiento de electrones, siendo éstos portadores de cargas eléctricas negativas. Cuando los electrones se mueven, se origina una corriente eléctrica. La corriente es igual al número de cargas en movimiento entre un intérvalo de tiempo.
Cuando una lámina de metal está expuesta a la luz, se produce electricidad en su interior debido a que: la luz cuando viaja se comporta como una onda, pero al intercambiar su energía con cualquier objeto lo hace como una partícula que es llamada fotón. Cuando el fotón choca con un electrón de un átomo de la lámina metálica, desaparece y pasa toda su energía al electrón, empujándolo hacia otro átomo. Esta expulsión electrónica es precisamente la corriente eléctrica.
Este fenómeno es aprovechado en las plantas que utilizan paneles solares, los cuales reciben la energía lumínica del sol transformándola en electricidad. Los electrones libres que se omiten son capturados y el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad.
El tipo de materiales de los que están hechas estas placas no son irrelevantes. Suelen ser semimetales especialmente tratados, para absorber la mayor cantidad de luz posible y evitar la reflexión de esta.
Gracias al efecto fotoeléctrico se volvió posible el cine hablado, así como la transmisión de imágenes animadas (televisión). . Los aparatos cuyo funcionamiento se basa en el aprovechamiento del efecto fotoeléctrico, controlan el tamaño de las piezas mucho mejor de lo que puede hacerlo cualquier humano, permitiendo encender y apagar automáticamente la iluminación de calles, faroles, etc.
8- ¿Por qué piensas que es interesante que los científicos pasen algunos años en otros centros de investigación distintos a los que se formaron?
En mi opinión es muy importante cambiar de escenario de vez en cuando, para tener otros puntos vista, otras maneras de ver las cosas… Si además cambias de país; y por lo tanto de cultura abres tu mente a nuevas formas de afrontar problemas, más capacidad pensadora y divulgativa pues experimentas más variedad y contraste de información.
Otro de los aspectos positivos, es salir de la casilla en la que los profesores o compañeros tienden a meterte. Al cambiar de centro, sabes realmente tu valía como científico, en tu universidad te etiquetan; ya sea subestimándote como sobrevalorándote. Cambiando de compañeros, te percatas de tus conocimientos y de tus carencias, dándote la oportunidad de mejorar. Esto, por otro lado también influye directamente en tu motivación y obtención de resultados, pues desarrollan una capacidad más competitiva; sales por fin al mundo real.
9- ¿Por qué es recomendable (o no) leer libros de divulgación científica?
En primer lugar vamos a definir libro de divulgación científica. Se trata de un libro que trata sobre tema de ciencia pero dirigido a un rango más amplio de la población. Su principal objetivo es la difusión de los conocimiento científicos pero evitando los tecnicismos, pudiéndose considerar un puente entre los científicos y el resto de la sociedad.
“El saber no ocupa lugar”. Por lo tanto siempre es bueno informarse sobre aquellos temas de interés. Además la ciencia está viva, se hacen descubrimientos día a día sobre aspectos que nos incumben como individuos de un conjunto. Por otra parte, hoy en día con fuentes tan accesibles como Internet, es muy fácil encontrar textos de divulgación científica.
Lo malo de estos escritos es que pueden tener datos erróneos o no precisos; por lo que siempre se recomienda contrastar informaciones.
10. Construye con materiales reutilizados tu propio modelo atómico (Thomson, Rutherford o Bohr) y cuelga en tu blog un reportaje gráfico de él (foto, vídeo o vídeomontaje).
Durante los siglos ha habido diferentes modelos atómicos, siendo cada uno más preciso que el anterior.
De los más conocidos destacamos:
-Primero el de Thompson: El científico dedujo que el átomo debía de ser una esfera de materia cargada positivamente, en cuyo interior estaban incrustados los electrones.
-Después vino el de Rutherford: Rutherford Dedujo que el átomo debía estar formado por una corteza con los electrones girando alrededor de un núcleo central cargado positivamente.
-Por último encontramos el actual, el de Bohr::Porpuso un nuevo modelo atómico según el cual los electrones giran alrededor del núcleo en unos niveles bien definidos.
De este último modelo hemos realizado una maqueta con diferentes materiales cotidianos:
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