La Naturaleza de la Carga Eléctrica Elemental
El estudio de la materia a nivel microscópico llevó al hombre a descubrir que toda la materia, de cualquier cuerpo u objeto, está constituida por átomos y que éstos se componen de partículas elementales tales como los electrones, los protones y los neutrones.
También sabemos que los electrones tienen carga negativa, los protones poseen carga positiva y que los neutrones no tienen carga.
El Descubrimiento de J.J. Thomson y la Relación Carga-Masa del Electrón
El descubrimiento del carácter corpuscular de la carga eléctrica se le asigna al físico inglés J.J. Thomson.
Dicho descubrimiento lo realizó en 1897 experimentando con un tubo de vacío semejante a los actuales tubos de un televisor. Dentro del tubo, conteniendo una pequeña cantidad de gas, colocó dos láminas metálicas situadas una frente a la otra (cátodo y ánodo) y aplicó una tensión eléctrica entre ellas.
Thomson comprobó que del cátodo salían unos rayos a gran velocidad (rayos catódicos), que atravesaban el ánodo (si en éste se practicaba un agujero) y que producían un pequeño destello al llegar a una pantalla fluorescente.
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Sometiendo los rayos a campos eléctricos y magnéticos comprobó que se comportaban de la misma manera independientemente del gas que se colocase en el tubo, y demostró que estaban formados por partículas cargadas, a las que bautizó con el nombre de electrones, pudiendo determinar su relación carga-masa.
Esta relación se expresaba en C/kg, siendo U la diferencia de potencial aplicada al electrón, r el radio de curvatura de la trayectoria del electrón e I la intensidad de corriente que circula por las bobinas.
El Experimento de la Gota de Aceite de Millikan para Medir la Carga del Electrón
Más tarde, en 1911, el físico norteamericano R. A. Millikan consiguió también medir la carga del electrón mediante su experimento de "la gota de aceite".
Para su experimento, empleó una cámara formada por dos placas horizontales de un condensador. Su método se basaba en observar el movimiento de cada gota en el interior de la cámara. Suponemos que la gota es una esfera de radio R. Midiendo esta velocidad se determina el radio de la gota.
Se mide el tiempo que tarda la gota en caer entre dos marcas, por ejemplo 2 mm y 8 mm. Luego, se conecta el campo eléctrico activando la casilla Campo eléctrico, una flecha de color rojo que apunta hacia arriba nos lo indica.
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Se mide el tiempo que tarda la gota en moverse hacia arriba entre dos marcas. Si la intensidad del campo eléctrico no es suficiente para mover la gota hacia arriba, se descarta pulsando el botón titulado Nuevo.
La observación de la gotita se realiza con ayuda de la escala graduada (en mm) y del reloj (en s). Midiendo esta velocidad se determina la carga de la gota. El experimento también consideraba la viscosidad del aire η, 1.8 10-5 kg/(ms).
Ejemplos de Mediciones en el Experimento de Millikan
En el proceso experimental, se medía el tiempo que tarda la gota en desplazarse entre las posiciones 2 y 8 mm para determinar su velocidad de caída.
La velocidad de caída de la gota de aceite es v=0.006/53.4=1.124·10-4 m/s.
Para la velocidad v' con la que asciende, se medía el tiempo que emplea la gota en desplazarse entre las posiciones 8 y 2 mm.
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La velocidad de ascenso de la gota de aceite es v'=0.006/10.2=5.88·10-4 m/s.
| Movimiento | Desplazamiento (m) | Tiempo (s) | Velocidad (m/s) |
|---|---|---|---|
| Caída | 0.006 | 53.4 | 1.124·10-4 |
| Ascenso | 0.006 | 10.2 | 5.88·10-4 |
La Cuantización de la Carga Eléctrica
A partir de estos experimentos, Millikan logró determinar que la carga del electrón es una cantidad fundamental de 1.6·10-19 C. Por tanto, la carga eléctrica está cuantizada.
Dicho de otra manera, la carga de 1 electrón es igual a -1.6×10-19 C. Se estableció que la carga eléctrica de 1 coulomb (C) equivale a la carga de 6.25 x1018 electrones.