MILLIKAN, LA UNIDAD DE CARGA ELÉCTRICA

1- SYMMER Y LOS FLUIDOS VÍTREO Y RESINOSO

Robert Symmer ((1707 – 1763) fue un filósofo y físico escocés.

Según Symmer, la electricidad admitía dos clases de fluidos muy ligeros: uno resinoso o negativo, y el otro vítreo o positivo. Decía que estas propiedades eran neutralizadas al combinarse ambos fluidos.

Hipótesis de Symmer: En todos los cuerpos existen dos fluidos imponderables, que están en cantidades iguales e íntimamente combinadas. Las partículas de un mismo fluido se rechazan y atraen las de otro.

Según Symmer, electrizar un cuerpo era separar los dos fluidos y hacer que uno de ellos preponderara.

Observó que al frotar algunos objetos con diversos tejidos podían electrizarse de dos maneras:

Unos objetos se electrizaban como el ámbar (a los que llamó sustancias resinosas) y otros se electrizaban como el vidrio (a los que llamó sustancias vítreas). También descubrió que, cuando juntaba dos objetos resinosos cargados o dos objetos vítreos cargados, se repelían y que cuando juntaba un objeto resinoso y otro vítreo (los dos cargados) se atraían. De este modo llegó a la conclusión de que había dos tipos de electricidad: la electricidad resinosa y la electricidad vítrea.

Para electrizar los objetos usaba lana.

Un científico inglés llamado William Gilbert retomó la idea de que la electricidad era un fluido que pasaba de unos cuerpos a otros al ser frotados.

Hoy en día, sin embargo, se sabe que los objetos adquieren cargas eléctricas al ganar o perder electrones y que se les denomina positivos si pierden electrones y negativos si los ganan.

Podemos realizar un experimento muy sencillo para comprobar la hipótesis de Symmer. Para ello utilizamos un globo y nuestro propio pelo.

Experimento: Inflamos el globo y lo frotamos durante unos 20 segundos contra el pelo. Después lo separamos un poco de la cabeza y observaremos que el pelo se queda “pegado” al globo.

Lo que ocurre es que al frotar el globo con el cabello, éste adquiere carga eléctrica positiva (pierde electrones) y el globo queda cargado negativamente. Al separar ambos cuerpos, estos se atraen (al tener distintas cargas eléctricas).

2- EL TUBO DE RAYOS CATÓDICOS

En el siglo XX los más eminentes científicos estaban haciendo unos experimentos fascinantes. Consistían en ampollas de vidrio de formas variadas en cuyos extremos interiores se colocaban dos placas metálicas conectadas externamente a potentes baterías. Los tubos irradiaban luces de colores, mostraban franjas luminosas y oscuras, emitían fluorescencias y otros fenómenos. A la placa metálica cargada negativamente se le llamaba cátodo, y a la otra, la positiva, ánodo. Los rayos surgían del cátodo y se dirigían hacia el ánodo. Por eso se llamaban rayos catódicos.

La hipótesis lógica acerca de la naturaleza de estos rayos era que se trataba de ondas que viajaban a través del éter. Pero esto no explicaba la variedad de colores y fenómenos que tenían lugar en los tubos de rayos catódicos ya que a través del éter las ondas de luz se propagaban de manera análoga (como el sonido en el aire). Por lo tanto esta variedad de colores y fenómenos dependía, fundamentalmente, del tipo de gas que contenía el tubo y de su enrarecimiento.

La conductividad aumenta a medida que disminuye la presión del gas. Si un tubo de rayos catódicos se conecta a una bomba de vacío y entre el cátodo y el ánodo se establece una diferencia de potencial de varios miles del voltios, a medida que disminuimos la presión empiezan a tener lugar los fenómenos citados.

A unos 5 mmHg, las descargas llenan el tubo adquiriendo una luminosidad cuyo color depende del gas que contiene: violeta con aire, rojo anaranjado con neón, azul con argón, etc.

Un científico británico, Joseph John Thomson, puso un empeño especial en extraer la máxima cantidad de gas de un tubo de rayos catódicos haciendo en su interior el vacío más alto alcanzado en la época. Así llegó a un punto en que los rayos catódicos se veían desviados por los campos eléctrico y magnético. Logró gracias a esto encontrar en los átomos una partícula con carga eléctrica negativa, a la que denominó electrón.

Más adelante, en 1909, Robert Milikan midió la masa y la carga del electrón utilizando gotas de aceite en suspensión.

3- MODELOS ATÓMICOS

Según Thomson, el átomo debía ser como una gran masa de carga positiva, e insertados en ella, debían estar los electrones. La carga negativa de los electrones compensaba la carga positiva, para que el átomo fuera neutro.

La experiencia de la lámina de oro: Para comprobar si el modelo de Thomson era cierto, los científicos Hans Geiger (1882-1945) y Ernest Marsden (1889-1970), colaboradores de Rutherford, diseñaron una experiencia aprovechando algunos descubrimientos sobre la radiactividad.

Obtuvieron los siguientes resultados:

• La mayoría de las partículas alfa atravesaba la lámina de oro sin desviarse.
• Una pequeña proporción de partículas atravesaba la lámina, pero sufrían una leve desviación.
• Una de 10000 partículas alfa rebotaba al llegar a la lámina y volvía hacia atrás.

La experiencia de Rutherford corregía el modelo de Thomson.

Según Rutherford, el átomo está formado por un núcleo muy pequeño y una corteza. En el núcleo está concentrada toda su carga positiva y su masa. En la corteza están los electrones girando alrededor del núcleo.

Con el modelo de Rutherford queda totalmente explicada la experiencia de la lámina de oro.

La mayor parte del átomo está vacía y los electrones giran alrededor del núcleo. Por eso, la mayor parte de las partículas alfa que llegan a la lámina de oro la atraviesan sin desviarse, ya que no encuentran ningún obstáculo. Una pequeña parte de las partículas pasa cerca del núcleo y su trayectoria se desvía. Una mínima proporción de las partículas choca con el núcleo, es repelida y vuelve hacia atrás.

El científico danés Niels Bohr (1885-1962) realizó una serie de estudios de los que dedujo que los electrones de la corteza giran alrededor del núcleo describiendo solo determinadas órbitas circulares.

Así pues, en el átomo, los electrones se organizan en capas o niveles de energía.

A medida que se van llenando los niveles de energía, los electrones se van situando en niveles superiores.

La principal diferencia entre el modelo de Rutherford y el de Bohr es que en el primero los electrones giran describiendo órbitas que pueden estar a una distancia cualquiera del núcleo, mientras que el modelo de Bohr está cuantizado.

Modelo atómico actual: Denominado el modelo mecánico-cuántico del átomo, establecido por Edwin Schrödinger.

Sustituye la idea de que el electrón se sitúa en en determinadas capas o niveles de energía por la probabilidad de encontrar al electrón en una cierta región del espacio: orbital.

4- EXPERIMENTO DE ALBERT MICHELSON

Millikan trabajó en la Universidad de Chicago a las órdenes de Albert Michelson.

Michelson realizó un experimento junto con Morley en 1887, por el que es conocido. Fue uno de los experimentos más importantes y famosos de la historia de la física. Está considerado como la primera prueba contra la teoría del éter. El resultado del experimento constituiría posteriormente la base experimental de la teoría de la relatividad de Einstein.

Antecedentes

A finales del siglo XIX se conocía que la luz era una onda electromagnética, que se propagaba a velocidad c (unos 300.000 km/s).

Ahora, si suponemos que entre las estrellas que vemos y nosotros no hay nada, esto entra en contradicción directa con que veamos la luz que nos llega de dichas estrellas.
Por lo que había que pensar en otra alternativa: en el espacio debe existir algo, un medio, que permite que se propage la luz: al cual se denominó éter, del cual no sabíamos en un principio absolutamente nada, ni de qué estaba “formado”.

Si existiese de verdad dicho éter, deberíamos ser capaces de observarle de alguna forma, y esto fue lo que propusieron Michelson y Morley. Realizaron un experimento para medir dicho éter.

Base del experimento

No se sabía si este éter estaría en reposo o la velocidad que tendría, pero dado que la Tierra gira en torno al Sol (en un año da una vuelta), 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 (un láser por ejemplo) en dos haces, los cuales rebotan en dos espejos y se vuelven a juntar. Dado que la luz es una onda, siempre que tengamos una fuente que solo emite una longitud de onda (es decir, un color muy definido), al volver a juntarse, los dos haces interferirán produciendo máximos y mínimos de intensidad.

Que se forme uno u otro depende de la diferencia de caminos que hayan recorrido los dos haces, lo que normalmente se hace variando ligeramente la posición de uno de los espejos (las variaciones de la posición deberán de ser similares a la longitud de onda de la luz, lo cual lleva a que serán de unos cientos de nanómetros: una diez milésima de milímetro).
Sin embargo, tambien se puede lograr el mismo efecto si estas distancias permanecen fijas pero la velocidad del medio por el que viaja la luz varía en uno de los brazos.

Así que variando la orientación de los brazos se debería observar un cambio en el patrón obtenido.

Resultados

Finalmente, y usando un instrumento que tenía unos brazos de 11 metros de largo y colocado sobre una “piscina” de mercurio para minimizar los movimientos del aparato, ambos físicos realizaron medidas de lo que ocurría.

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.

Sin embargo, esto mismo fue lo que condujo a que fuera uno de los más importantes experimentos, ya que con estos resultados se comenzó a pensar que dicho éter podría no existir, y se planteó que la luz podría viajar en el vacío, sin ningún medio de por medio, lo cual derivó finalmente en la Teoría de la Relatividad Especial de Einstein, donde ya se impuso la no existencia de dicho éter.

Físicos y ocultistas han debatido durante siglos sobre el éter, la sustancia que supuestamente impregna todo el Universo. Aunque su existencia fue descartada a finales del siglo XIX, algunos científicos actuales han retomado las antiguas teorías y avanzado otras nuevas. Pensamos que si algunos científicos siguen pensando que esta sustancia existe, es posible, ya que aunque no se haya demostrado que existe tampoco está suficientemente demostrado que no exista.

5-

La ionización es el fenómeno químico o físico mediante el cual se producen iones (átomos o moléculas cargadas eléctricamente debido al exceso o falta de electrones).

De acuerdo con el modelo de Bohr, los rayos X ionizan las gotas de aceite, aportando a los electrones una carga energética adicional, que hace que éstos se sitúen en capas o niveles de energía superiores. Así se logra que compensen el equilibrio que ha de existir entre la órbita ocupada por el electrón y la adicional carga electromagnética otorgada por los rayos X .

6- EXPERIMENTO DE MILLIKAN O EXPERIMENTO DE LA GOTA DE ACEITE

En 1909, Robert Millikan se propuso medir la masa y carga del electrón.
El experimento que realizó consiste en introducir en un gas, gotitas de aceite de un radio de aproximadamente un micrómetro. Estas gotitas caen muy lentamente, con movimiento uniforme, con su peso compensado por la viscosidad del medio. Este tipo de movimiento viene regido por la ley de Stokes. Las gotas se cargan electrostáticamente al salir del atomizador, por lo que su movimiento de caída se altera significativamente si se hace actuar un campo eléctrico vertical. Ajustando convenientemente la magnitud del campo eléctrico, puede lograrse que la gota permanezca en suspensión.
Conociendo el valor m de la masa de la gota, la intensidad E del campo eléctrico y el valor g de la gravedad, puede calcularse la carga q de la gota en equilibrio:

m·g = q·E (principalmente)

Millikan comprobó que los valores de las cargas eran siempre múltiplos de una carga elemental, la del electrón. Por consiguiente pudo medir la carga eléctrica que posee un electrón:
e = 1,602 × 10^-19 culombios.

Millikan recibió el premio Nobel de Física en 1923 en parte por este experimento.

El siguiente vídeo que hemos encontrado lo explica muy bien (en inglés): 

7- EFECTO FOTOELÉCTRICO

Consiste en la emisión de electrones por un metal o fibra de carbono cuando se hace incidir sobre él una radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta, en general).

Una serie de experimentos iniciados en 1887 demostró que el efecto fotoeléctrico tenía determinadas características que no podían explicarse por la teoría clásica que consideraba que la luz (teoría ondulatoria de la luz) se comportaba como una onda. Por ejemplo, al aumentar la intensidad de la luz que incide sobre un metal, la teoría ondulatoria de la luz sugiere que en el metal se liberarán electrones con una energía cada vez mayor. Sin embargo, los experimentos mostraron que la energía de los electrones emitidos sólo depende de la frecuencia de la luz, y no de su intensidad.
En el año 1900, Max Planck dijo que la energía está formada por partículas denominadas cuantos de energía. La energía de un cuanto es igual a la constante de Planck por la frecuencia de radiación.

Posteriormente, Einstein se basó en esta teoría para explicar el efecto fotoeléctrico: No sólo la energía está formada por partículas sino también la luz, cuyas partículas se denominan fotones. Por lo tanto, la intensidad de ésta no influye en la velocidad de los electrones emitidos por el metal en el que incide, sino en su cantidad (a mayor intensidad, mayor número de electrones). Por otro lado, a mayor frecuencia, mayor es la velocidad de los electrones y mayor es su energía.

El video que mostramos a continuación es muy interesante y explica muy bien el efecto fotoeléctrico:

Es muy curioso que en los lugares menos esperados o sin que siquiera lo notemos, las ideas revolucionarias de Einstein están presentes. Las aplicaciones del efecto fotoeléctrico las encontramos en: camaras, detectores de movimiento, en el alumbrado público, como regulador de la cantidad de toneren la máquinas copiadoras, en las celdas solares (muy útiles en satélites), calculadoras y relojes. También en el cine, ya que el audio que escuchamos es producido por señales eléctricas que son provocadas por los cambios de intensidad de la luz al pasar por la pista sonora que viene en la cinta cinematográfica. Pero es muy interesante que el efecto fotoeléctrico se aplica también en los alcoholímetros, en donde la reacción del alcohol con una sustancia de prueba provoca cambios de color, los cuales son medidos por el dispositivo, y esto permite saber la concentración de alcohol en el individuo. Es impresionante lo útil que resulta el efecto fotoeléctrico, y se lo debemos a Einstein.

8-

Que los científicos pasen algunos años en otros centros de investigación distintos a los que se formaron les permite relacionarse con otros científicos con los que pueden comparar conocimientos científicos, lo que les ayuda a adquirir una visión más amplia (aprenden a respetar otras opiniones de científicos) y objetiva. Además, el estar en contacto con diferente tipo de gente y encontrarse en un lugar distinto del habitual, les puede hacer conocer nuevas técnicas de estudio o experimentación.

Si llegan a estar en contacto con algún científico importante, pueden interesarse por su investigación y hacer avances importantes. De esta forma se amplían sus posibilidades de triunfar en el mundo de la ciencia.

9-

En nuestra opinión, leer libros de divulgación científica puede ser muy interesante, ya que, además de que el lenguaje es fácil de comprender (lo que los hace aptos para estudiantes no muy avanzados), permiten conocer el mundo de la ciencia.

Lo malo de estos libros es que en ocasiones pueden contener información errónea o demasiadas opiniones del autor, que no permiten que uno se cree su propia visión.

10- NUESTRO MODELO ATÓMICO
A continuación podéis ver cómo construir con vuestras manos y algunos materiales un átomo de sodio según el modelo atómico de Bohr.

Materiales
- Dos cartulinas blancas
- Celo
- Lana
- 12 canicas (una de ellas más grande)
- Tijeras
- Pegamento

Pasos
1º - Colocamos las dos cartulinas en el suelo y las unimos por su lado largo pegándolas con un trozo de celo.

2º - Damos la vuelta a la cartulina y, con ayuda de un compás, dibujamos 3 circunferencias (partiendo desde un mismo centro).

3º - Colocamos sobre cada circunferencia un trozo de lana, de forma que cubra totalmente las líneas dibujadas. Para que el hilo se sujete, lo pegamos con pegamento.

4º - Ya solo queda colocar las canicas que son necesarias en cada órbita para conseguir un átomo de sodio (Na) de acuerdo al modelo atómico de Bohr. Este es el resultado final: