Bestimmung der Elementarladung mit dem Millikan-Experiment - Bedienungsanleitung - FAKULTÄT FÜR PHYSIK

FAKULTÄT FÜR PHYSIK
       Praktikum Klassische Physik II für Lehramt

Bestimmung der Elementarladung
  mit dem Millikan-Experiment

       Bedienungsanleitung

Inhaltsverzeichnis
1 Versuchsaufbau                                                                                                      1
  1.1 Einzelteile und Konstanten . . . . . . .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .    1
  1.2 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .    3
  1.3 Versuchsschaltung und Messanzeige . .      .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .    6
  1.4 Videoauswertung . . . . . . . . . . . .    .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .    8
  1.5 Erzeugung und Auswahl der Tröpfchen        .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .    9
  1.6 Abbau des Versuchs . . . . . . . . . . .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   11

Literaturverzeichnis                                                                                                 13

1 Versuchsaufbau

1.1 Einzelteile und Konstanten

Lieferumfang

Der gesamte Versuchsaufbau ist in Abbildung 1.1 dargestellt, wohingegen in Ab-
bildung 1.2 die mitgelieferten Teile abgebildet sind. Diese setzen sich zusammen
aus
  1. Schaltboard mit
  2. Plattenkondensator und
  3. Display
  4. Abdeckkammer
  5. Netzteil
  6. Mikroskop
  7. Sprühfläschchen
  8. Ölfläschchen
  9. Reißzwecken
 10. Schwimmerchen
 11. Handyhalterung
 12. Halterungsringe

Messdaten

  • Plattenkondensator: 50 mm Plattenradius und 3 mm Plattenabstand
  • Netzgerät mit 12 V AC und 2000 mA
  • Okular mit 15x Vergrößerung und Objektiv mit zweifacher Vergrößerung
  • einstellbarer Spannung von 0 V − 600 V
  • Öldichte von 877 mkg3 bei einer Temperatur von 15 °C und eine Dichte von 871 mkg3
    bei einer Temperatur von 25 °C [vgl. Sci16, S. 2]

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      Abbildung 1.1: Gesamter Versuchsaufbau

    Abbildung 1.2: Einzelteile des Versuchaufbaus

Kapitel 1. Versuchsaufbau                                                        3

    Abbildung 1.3: Frontansicht                  Abbildung 1.4: Plattenkon-
    des Mikroskops                               densator

1.2 Versuchsaufbau

Aufbau des Versuchs

  • In Abbildung 1.3 ist der gesamte Versuchsaufbau dargestellt, bestehend aus
    der Messschaltung 1, dem Mikorskop 2, der Abdeckkammer 3 und dem Sprüh-
    fläschchen 4.

  • Das Sprühfläschchen wird durch das Ölfläschchen bis zur Hälfte mit Öl gefüllt.

  • Das Mikroskop wird auf die Eisenstange der Messapparatur aufgeschoben und
    über die Stellschraube 5 fixiert.

  • Über die beiden Regler 7 kann das Mikroskop scharfgestellt und über Regler 8
    die Höhe verändert werden. Diese sollte so eingestellt sein, dass der Zwischen-
    spalt des Plattenkondensators 10 in Abbildung 1.4 optimal beobachtet werden
    kann

  • Regler 9 dient zur Regelung der Lichtintensität zwischen den beiden Platten.

  • Der Aufbau kann wie in Abbildung 1.5 um die Handyhalterung erweitert
    werden, indem die zwei Verdickungsringe um das Mikroskop gespannt werden
    und danach die Klammer der Halterung daran fixiert wird.

  • Das Handy lässt sich in der Halterung einspannen und über drei Regler in jede
    Richtung verstellen. [vgl. Sci16, S. 3]

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Scharfstellen des Mikroskops

    • Zum Scharfstellen muss die Abdeckkappe des Mikroskops und die Abdeckkam-
      mer des Plattenkondensators abgenommen werden.
    • Eine Reiszwecke wird in das Loch 11 des oberen Plattenkondensators gesteckt
      und durch das Mikroskop beobachtet (siehe Abbildung 1.6)
    • Über Regler 7 wird das Mikroskop scharfgestellt und in Abbildung 1.6 lässt
      sich die Oberflächenstruktur der Reiszwecke erkennen, welche an den Rändern
      das Licht der LED reflektiert.
    • Während des Experimentierens muss das Mikroskop gelegentlich nachjustiert
      werden. Dies sollte nicht während eine Zeitmessung geschehen, da sich die
      Skalierung leicht verschiebt und die Messung verfälscht. [vgl. Sci16, S. 3, 4]

Ausrichtung des Plattenkondensators

    • Eine horizontale Ausrichtung des Plattenkondensators ist notwendig, um einen
      Links- und Rechtsdrift der Öltröpfchen zu vermeiden.
    • Die obere Platte des Kondensators wird angehoben und die Libelle aus Abbil-
      dung 1.7 auf die untere Platte aufgelegt.
    • Mittels der drei Stellschrauben an der Unterseite der Messapparatur wird das
      Luftbläschen in der Libelle zentriert und danach die Libelle entfernt.
    • Die obere Platte wird vorsichtig auf die untere aufgesetzt und die Libelle erneut
      aufgelegt. Auch hier sollte das Luftbläschen zentriert sein.
    • Ist das Bläschen für beide Fälle zentiert, so wird die Libelle heruntergenommen,
      andernfalls müssen die Platten nochmals korrekt ausgerichtet werden.
    • Die Abdeckkammer mit Sprühfläschchen wird wie in Abbildung 1.8 über den
      Plattenkondensator gestülpt und die Libelle darauf abgelegt. [vgl. Sci16, S. 3,
      4]

Kapitel 1. Versuchsaufbau                                               5

    Abbildung 1.5: Handyhalterung   Abbildung 1.6: Bild einer scharf-
    am Objektiv                     gestellten Reißzwecke

    Abbildung 1.7: Justierung des   Abbildung 1.8: Kondensatorab-
    Plattenkondensators             deckung und Sprühfläschchen

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              Abbildung 1.9: Schaltung der mitgelieferten Messapparatur

1.3 Versuchsschaltung und Messanzeige

Schaltboard

    • Die Versuchsschaltung ist in Abbildung 1.9 dargestellt.
    • Regler 1 dient zum Einstellen der Spannung, welche über Schalter 4 an und
      ausgeschalten werden kann.
    • Die Polung des Plattenkondensators lässt sich über Schalter 2 einstellen.
    • Über Regler 3 kann die Intensität der beiden eingebauten LED gesteuert werden.
    • Die Zeitmessung mittels des Schaltboards erfolgt für beide Zeiten über Schalter
      5. Dabei erfolgt die Messung der Fallzeit t2 ausschließlich bei ausgeschalteter
      Spannung und die Messung der Steigzeit t1 nur bei eingeschalteter Spannung.
    • WICHTIG:
      Es sollte immer zuerst die Zeitmessung gestoppt werden, bevor die Spannung
      geändert wird. Ansonsten startet beim Ändern der Spannung automatisch die
      zweite Zeitmessung.

Kapitel 1. Versuchsaufbau                                                     7

                 Abbildung 1.10: Touchfeld der Messapparatur

Messanzeige

  • Beim Einstecken des Netzgeräts leuchtet der Startbildschirm des Displays auf
    und durch das Drücken des Feldes → öffnet sich die Messanzeige in Abbildung
    1.10.
  • Die Anzeigen 6 und 7 geben die Steig- und Fallzeit an, welche durch das
    Touchfeld Reset zurückgesetzt werden können.
  • Unter 8 wird die Spannung ausgegeben und im rechts anliegenden Feld unter
    Previous Voltage wird beim Ausschalten der Zeitmessung die Spannung
    zwischengespeichert.
  • Die Werte für Temperatur, Viskosität und Luftdruck werden in den Anzeige 9,
    10 und 11 ausgegeben.
  • Unter dem Feld Anleitung findet sich eine ausführliche Versuchsanleitung und
    unter ← wird wieder der Startbildschirm geöffnet. [vgl. Sci16, S. 4, 5]

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              Abbildung 1.11: VLC media player: präzisere Zeitmessung

1.4 Videoauswertung
    • Aufnehmen von Videos der Bewegung der Öltröpfchen und Notation der benö-
      tigten Messwerte für jeden einzelnen Bewegungsdruchgang des Tröpfchens.
    • Öffnen des Videos mittels des VLC media players am Computer.
    • Für eine exaktere Zeitmessung unter dem Reiter Ansicht das Fenster Time
      v3.2 (intf) öffnen (siehe Abbildung 1.11).
    • Zum Ändern des Zeitformats muss in dem Fenster mit Clear ein anderes Format
      eingestellt werden und danach mit USE pattern und START! bestätigt
      werden.
    • Ein geeignetes Zeitformat ist in Abbildung 1.11 dargestellt mit [E]/[D][_]([T]).
    • Die Zeitmessung erfolgt über das passende Pausieren des Videos und die Steig-
      und Fallzeiten ergeben sich aus der Differenzbildung der Start- und Stoppzeiten.

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    Abbildung 1.12: Wolke aus                 Abbildung 1.13: Vereinzelte
    Öltröpfchen zwischen den beiden           Tropfen zwischen den beiden Kon-
    Kondensatorplatten                        densatorplatten

1.5 Erzeugung und Auswahl der Tröpfchen

Erzeugung

  • Erzeugung der Öltröpfchen durch das Betätigen des Blasebalgs am Sprühfläsch-
    chen.
  • Die Öltröpfchen passieren das Loch des Plattenkondensators und lassen sich
    durch das Mikroskop im Zwischenraum des Plattenkondensators beobachten.
  • Zwischen den Platten sollte keine Wolke aus Öltröpfchen vorzufinden sein
    (siehe Abbildung 1.12), sondern besser eignen sich vereinzelte Tröpfchen wie in
    Abbildung 1.13. [vgl. Sci16, S. 3, 4]
  • Bei zu vielen Öltröpfchen zwischen den Platten lässt sich ein Teil davon eli-
    minieren, indem sie in die Platten des Kondensators gesteuert werden. Somit
    erleichtert sich die Auswahl vereinzelter Tropfen. [vgl. Run20, S. 510]

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Auswahl

     • Die Steuerung der Öltröpfchen erfolgt über die Spannung. Es gibt vier verschie-
       dene Fälle:
          1. Beim Anlegen einer Spannung ändert sich durch die elektrische Kraft die
             Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit der Tröpfchen. (geeignet für das
             Experiment)
          2. Beim Anlegen der Spannung ändert sich weder die Bewegungsrichtung
             noch die Geschwindigkeit des Tröpfchens. Das Teilchen ist neutral geladen.
             (ungeeignet)
          3. Beim Anlegen einer Spannung erhöht sich die Geschwindigkeit des Tröpf-
             chens. Es wird von der unteren Platte angezogen und beschleunigt. (un-
             geeignet)
          4. Beim Anlegen einer Spannung verringert sich die Geschwindigkeit aber
             das Tröpfchen fällt weiter. Das elektrische Feld reicht nicht aus um die
             Bewegungsrichtung zu ändern. (ungeeignet)
     • Die Tröpfchen lassen sich ebenfalls durch das Umpolen des Plattenkondensators
       steuern und ihre Bewegungsrichtung ändern.
     • Vorteilhaft sind zudem Tröpfchen ohne starken Links- und Rechtsdrift. Zudem
       sollten sie nicht zu schnell unscharf werden, da sonst ständig neu scharfgestellt
       werden muss.

Kapitel 1. Versuchsaufbau                                                    11

1.6 Abbau des Versuchs
  • Ausschalten der Schalter und Regler für das Licht, die Spannung und die
    Zeitmessung und Entfernen des Netzgeräts.
  • Abnehmen der Abdeckkammer des Plattenkondensators und Herausnehmen
    des Sprühfläschchens aus der Abdeckkammer.
  • Reinigen des Sprühfläschchens, der Abdeckkammer und des Plattenkondensators
    mit einem feuchten Tuch.
  • Aufsetzen der Abdeckklappe des Mikroskops und Abschrauben des Mikroskops
    von der Eisenstange der Messapparatur.
  • Verstauen der Einzelteile in der dafür vorgesehenen Verpackung. [vgl. Sci16,
    S. 5]

Literaturverzeichnis
[Run20] Bernd Uwe Runge. 5.2. Elementarladung nach Millikan. Hrsg. von
        Universität Konstanz. 17. Jan. 2020. u r l: https://ap.physik.uni-
        konstanz . de / ap - public / Anleitungen / Millikan . pdf (besucht am
        18. 01. 2021).
[Sci16]   Scientific-GmbH. Millikan Apparat. 2016. u r l: https://www.3bscientific.
          de/product-manual/1018884_DE.pdf (besucht am 14. 01. 2021).

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