Hallo! Aktuell versuche ich gerade den berühmten Millikanversuch (https://de.wikipedia.org/wiki/Millikan-Versuch) von Robert Millikan (Nobelpreis 1923) zur Bestimmung der Elementarladung e nach zu bauen. Es gibt ja käuflich zu erwerbende Apparate (z.B. https://www.conatex.com/catalog/physik_lehrmittel/fundamentale_konstanten/milikan_versuch_e_m_bestimmung_franck_hertz_versuch_planck_konstante/product-millikan_versuch/sku-1040271#.XdPSAdVCeM8 oder https://www.alibaba.com/product-detail/JOAN-lab-millikan-oil-drop-apparatus_1850237826.html), aber erstens sind diese zum Teil extrem teuer und zweitens möchte ich es eben selbst umsetzen. Im Originalexperiment wird ja Öl zerstäubt und dann im Kondensatorinnenraum die notwendigen Spannungen fürs Schweben bzw. driften nach unten/oben bestimmt. Daraus lässt sich dann der Radius r der Öltropfen eliminieren (ist ja unterschiedlich) und schlussendlich die Ladung Q (= Vielfaches von e) berechnen. Ich verwende anstelle von Öl aber Mikropartikel mit bekannten Durchmesser (https://www.ebay.com/itm/1-0-2-8-um-Monodispersed-Polystyrene-Particles-Microspheres-Beads-Latex-PS/173622022422?ssPageName=STRK%3AMEBIDX%3AIT&var=472300705994&_trksid=p2060353.m2749.l2649), konkret 1.5 µm. Damit vereinfacht sich der Versuch deutlich. Ich könnte die Ladung nur aus einer einzelnen Messung (z.B. Bestimmung der Spannung, bei der der Mikropartikel schwebt) ableiten. Für Ladungen von 1*e bis 3*e benötige ich zum Schweben konkret Spannungen von 568V bzw. 189V (Plattenabstand des Kondensators = 5 mm, Dichte Mikropartikel = 1.05 g/cm³). Daher habe ich zu Beginn einmal ein HV-Netzteil auf Basis eines CCFL-Inverters gebastelt. Dieses liefert mir Spannungen zwischen rund 40 bis 970V. Auf dem Weg zu mir sind gerade ein Plexiglasrohr, Messingscheiben, medizinischer Zerstäuber (https://slicksurgico.com/p/universal-atomizer-complete-with-movable-tube-screw-bottle-30-ccm-and-rubber-bulb/?attribute_pa_finishing=finish), Handymikroskop usw. Anstelle eines gewöhnlichen Mikroskops möchte ich eben ein günstiges Handymikroskop (https://www.ebay.com/itm/Phone-Clip-50X-Microscope-With-LED-Magnifier-Loupe-with-UV-Currency-Detector/372679055488?ssPageName=STRK%3AMEBIDX%3AIT&_trksid=p2060353.m2749.l2649) mit 50-facher Vergrößerung verwenden. Auf das Handydisplay werde ich dann eine Folie mit mm-Markierungen kleben. Hierzu muss natürlich die Skala erstmals kalibriert werden. Bin schon neugierig, welche Gegenstandsweiten umsetzbar sind. Das Plexiglasrohr und die Messingscheiben haben nämlich einen Durchmesser von 50mm. Demnach wäre es günstig, wenn Gegenstandsweiten um die 25 mm möglich sind... Als Beleuchtung kommt eine regelbare weiße 3W-LED zum Einsatz. Wenn es Neuigkeiten gibt, melde ich mich wieder ;-)
So, der Postmann hat geklingelt... 50mm-Plexiglasrohr, Parfumzerstäuber (den ich wie gesagt eh nicht verwenden werde) und 30x-Handymikroskop von Amazon (https://www.amazon.de/gp/product/B07D3RFHJH/ref=ppx_yo_dt_b_asin_title_o00_s00?ie=UTF8&psc=1) sind eingetroffen. Gleich einmal das Handymikroskop getestet. Im Originalzustand war nicht nur das Gesichtsfeld durch das Linsengehäuse stark eingeschränkt, sondern ich musste für scharfe Abbildungen mit dem Objekt ganz nahe ans Gehäuse. Für meine Zwecke natürlich weniger geeignet, da der Abstand Linse-Öltropfen ja um die 25mm betragen wird (es sei denn, ich wandere mit dem Kondensatoreingang von der Mitte weg näher zum Rand). Deshalb gleich einmal das Gehäuse bis zur Linse gekürzt. Jetzt ist das Gesichtsfeld deutlich größer und ich erreiche für scharfe Abbildungen fast die gewünschte Distanz zum Objekt. Habe es auch anstelle des Handymikroskops mit einer einzelnen f = 39.5mm Glaslinse von Astromedia versucht. Diese hatte ich noch vom TSL1401-Arduino-Spektroskop über. Das Ergebnis und die Abstände zum Objekt sind mittelmäßig zufriedenstellend. Da ist das gekürzte Handy-Mikroskop besser. Ich habe ja noch ein 50-fach Handymikroskop auf ebay bestellt. Mal schauen, ob das noch besser ist und ich vielleicht dessen Objektiv sogar verstellen kann. Müsste nämlich mit dem Objektiv näher ans Handy (kleinere Bildweite), damit die Gegenstandsweite (auf besagte 25mm) zunimmt.
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Hallo Christoph, viel Erfolg beim Basteln - ich bin gespannt auf Deine Ergebnisse in diesem klassischen Experiment. Kann mich noch erinnern, wie es war, mit triefenden Augen durch das Okular zu schauen und Daten zu sammeln. In diesem Zusammenhang sollte man auch mal https://en.wikipedia.org/wiki/Harvey_Fletcher erwähnen. Die im Wikipedia Artikel zitierte Reference 9 ist in ganz vielen Aspekten interessant: https://web.archive.org/web/20160128151252/http://www.cce.ufes.br/jair/te1/PhysToday_43_Fletcher_Work_Millikan.pdf Grüße, marcus
Ich finde es grundsätzlich schön, wenn Leute sich mit soetwas befassen. Interessante Sache, das! Sorry, wenn es aus obenstehendem irgendwie hervorgehen sollte, ich habe keine Zeit, dass alles jetzt zu lesen aber: Im Originalversuch wurde (soweit ich mich an meine Schulbildung erinnere) mit Röntgenstrahlung gearbeitet, um einzelne Elektronen herauszuschlagen. Wie planst Du, hier vorzugehen.
@ Marcus: Ja, H.Fletchers Beitrag ist ordentlich untergegangen. Ärgerlich wenn nur einer die Lorbeeren sammelt. Ist aber öfters in der Wissenschaft so (vgl. Hubblegesetz und die Beiträge von Lemaitre). @ M.A.S.: Soviel ich weiß, diente die Röntgenstrahlung nur um die Ladungen zu ändern. Kann aber gut möglich sein, dass es durch die Röntgenstrahlung erst überhaupt zu einer Ionisierung kam. Es gibt auch kommerzielle Millikanapparate mit integrierten Alpha-Strahler. Soweit ich aber in Erfahrung bringen konnte, brauche ich dies bei den Mikropartikeln eben alles nicht. Die laden sich beim Zerstäuben automatisch auf. Müsste beim Öl eigentlich das gleiche sein. Mal schauen... Wenn ich einen Alphastrahler dazu benötigen würde, nehme ich einfach einen meiner Americium-241-Strahler... Gestern habe ich in meinem Optikfundus noch eine nahezu ideale Linse mit Halterung finden können. Erstens ist die durch die Halterung einfach am Handy zu fixieren und zudem ist ihre Brennweite groß genug, um die geforderten Gegenstandsweiten von rund 2-3 cm einzuhalten. Anbei eine Aufnahme mit dieser Linse + Handyzoom. Die Skalenstriche sind 1 mm. Zur Erinnerung: Der Abstand der Kondensatorplatten beträgt geplante 5 mm.
Christoph E. schrieb: > @ M.A.S.: Soviel ich weiß, diente die Röntgenstrahlung nur um die > Ladungen zu ändern. Jupp! Christoph E. schrieb: > Es gibt auch > kommerzielle Millikanapparate mit integrierten Alpha-Strahler. Uji! Christoph E. schrieb: > Wenn ich einen Alphastrahler dazu benötigen würde, nehme ich einfach > einen meiner Americium-241-Strahler... Aha, na wenn Du sowas im Schrank hast...
Hier geht es mit Kleinigkeiten weiter. Habe am Wochenende nochmals überprüft, mit welcher Linse ich die Mitte des 50mm-Plexiglasrohres scharf und vergrößert bekomme. Mit dem 30-fach bzw. eben angekommenen 50-fach Handymikroskopen geht es leider nicht, mit der "Linse 1" schon. Deren Brennweite habe ich mittels Laserpointer mit rund 31 mm bestimmen können. Mit dieser und dem manuellen Fokus erziele ich brauchbare Ergebnisse (siehe Bleistift im Glas).
Kondensator und Zerstäuberkammer sind soweit fertig. Ein Rohr per Hand genau senkrecht abzuschneiden ist alles andere als leicht. Die Abweichungen liegen jetzt aber wohl im < 0.5mm-Bereich. Der Abstand d der Kondensatorplatten geht ja in die elektrische Feldstärke mit E = U/d ein. Von daher sollte er schon möglichst überall gleich sein... Ich werde die ganze "Säule" mit drei M4-Gewindestangen von oben zusammenpressen. Als Dichtungsringe kommt Moosgummi zum Einsatz. So ist der Aufbau schön zerlegbar, falls er z.B. geputzt werden muss. Das Eintrittsloch in der oberen Kondensatorplatte hat momentan einen Durchmesser von 1 mm. Im Internet wurden zwar bei einer Quelle 0.5mm genannt, ich denke mir aber dass die dadurch bedingten Inhomogenitäten der elektrischen Feldstärke noch gering sind und zudem genügend Mikropartikel in den Innenraum driften. Das Spannungskabel habe ich einmal seitlich an die obere Platte gelötet. Das Kabel für die untere Platte werde ich dann an der Unterseite festlöten und seitlich rausführen.
Beitrag #6063940 wurde vom Autor gelöscht.
Schön langsam nimmt der Millikan-Apparat Formen an. Das zugeschnittene Plexiglas habe ich gestern abholen können. Das 6mm-Rohr für den Kondensatorinnenraum habe ich händisch auf 5 mm abgeschliffen. Die verstellbare LED-Halterung ist auch fertig. Jetzt fehlt nur noch der Zerstäuber aus England (jener aus Pakistan kann nicht geliefert werden :aufsmaul: ) und die Handyhalterung...
Sei so nett und poste dann, wenn es soweit ist, den von Dir ermittelten Wert für e. :)
Schön langsam treffen die letzten Teile fürs Experiment ein. Gestern ist der Zerstäuber aus England angekommen. Den schon etwas porösen Schlauch habe ich gegen einen neuen aus Silikon ausgetauscht. Als Ersatz für das Handy + Linse habe ich mir quasi als Weihnachtsgeschenk noch ein Mikroskop mit Bildschirm gekauft. Dieses ist bereits heute eingetroffen. Für mich ist also am 11.12 bereits Weihnachten... Die Verarbeitung ist für den Preis wirklich mehr als ordentlich. Habe auch gleich die unterschiedlichen Vergrößerungen ermittelt. Diese ändert man wie schon gesagt durch Veränderung der Gegenstandsweite. Bei geringem g ist die Vergrößerung höher und vice versa. Die angegebenen 600-fach schafft es natürlich bei weitem nicht aber für meine Bedürfnisse dürfte es trotzdem ideal sein. Immerhin möchte ich ja nur den Abstand der Kondensatorplatten (5 mm) formatfüllend abbilden. Die Vergrößerung ist im Bereich 6- bis 30-fach variierbar. Der Strichabstand beträgt in echt 1 mm! Ich habe mich bewusst für dieses Modell (https://www.amazon.de/gp/product/B07B6H1K9W/) entschieden, weil ich dann das Stativ am leichtesten an meine Bedürfnisse (horizontale Verschiebung) anpassen kann.
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Beitrag #6076347 wurde vom Autor gelöscht.
So, der Aufbau ist soweit fertig. Jetzt steht dann als nächstes der erste Testlauf an. Das Mikroskop habe ich nun ausgerichtet. Die momentane Vergrößerung beträgt ca. 15-fach. Zum Ausrichten und Fokusieren habe ich einen 1mm Bohrer ins Eintrittsloch gesteckt. So sind etwa 4mm des 5mm messenden Plattenabstands einsehbar. Das Mikroskop lässt sich im Stativ ein wenig bewegen. Dies ist aber insofern von Vorteil, weil ich dann das Eintrittsloch ins Bild rücken und scharf stellen kann...
Anbei noch eine Abbildung der Mikroskophalterung. Zum Einsatz kommt an einem Ende die Originalhalterung und am anderen eine Rohrschelle...
Heureka, ich hab's geschafft... Habe heute den ersten Versuch mit den Mikropartikeln unternommen. Zuerst sprühte ich die Mikropartikel von oben in die Kammer oberhalb des Kondensators. Dadurch erhielt ich leider aber viel zu viele Tröpfchen im Zwischenraum. Daher sprühe ich diese jetzt seitlich in die obere Kammer und danach driften sie durch die 1mm große Eintrittsöffnung in den Kondensatorzwischenraum. Die Mikropartikel sind nicht leicht am Bildschirm auszumachen, aber es geht. Und zudem darf man sich nur auf jene konzentrieren, die trotz Spannung nicht nach unten sinken. Beim zweiten Durchlauf habe ich dann gleich ein Mikropartikel entdeckt, welches bei 273V Kondensatorspannung in Schwebe gehalten werden konnte. Daraus errechnet sich eine Ladung von 2.08 * Elementarladung e Hier das erste Video dazu, wobei oben unten ist und umgekehrt, sprich die Teilchen kommen von unten ins Bild: Fühle mich gerade wie Robert Millikan Habe die 0.25 g Mikropartikel mit rund 14 ml vermischt. Löst sich aber nur sehr zögerlich auf und bildet kleine Klumpen. Vielleicht gebe ich eine kleine Metallkugel noch in den Zerstäuber, die mir dann das Pulver weiter ausflöst... https://www.youtube.com/watch?v=qg_IeUnfj4c
Habe heute nochmals eine Messserie durchgeführt. Brauchbare Ergebnisse zu erzielen ist aber wirklich sehr schwierig. Erstens ist der Bereich scharfer Abbildungen äußerst schmal und zweitens kommen nur sehr wenige, richtig geladene Mikropartikel in den Kondensatorinnenraum. Passt das eine, passt das andere nicht und umgekehrt. Damit möglichst wenig Streulicht ins Objektiv gelangt, habe ich nun die 3 Gewindestangen zur Fixierung der Kammer anders postiert. Jetzt befindet sich in Sichtlinie des Mikroskops keine Gewindestange mehr (früher war eine genau auf der Kammerrückseite). Zudem habe ich die Kammer etwas näher zum Mikroskop gerückt, damit ich noch höhere Vergrößerungen erzielen kann. Die großen Tropfen des Zerstäubers decken mir auch öfters die Eintrittsöffnung ab, sodaß keine Mikropartikel mehr in den Innenraum gelangen. Dann heißt es die Kammer auseinander nehmen und reinigen. Dies geht aber mit Hilfe der Flügelmuttern recht flott. Durch die große Anzahl an Versuchen, habe ich auch schon recht ordentlich Mikropartikellösung verbraucht. Ich bin am Überlegen, ob ich nicht die kommerzielle Lösung mit Latexpartikel kaufe. Die hätten 1,02 µm Durchmesser, kosten allerdings 57 Dollar ohne Versand aus den USA... Am Ende der Versuchreihe hatte ich dann 4 brauchbare Messungen in der Tasche. Komisch ist nur, dass ich bisher keine einfache Elementarladung (q = 1 * e) messen konnte. Bisher ergaben 3 Messungen die doppelte Elementarladung und eine ca. die 3-fache. Dabei müsste die Einfache am häufigsten auftreten. Vielleicht sprühe ich als nächstes die Mikropartikellösung direkt in den Kondensatorzwischenraum. Dann muss ich diesen zwar sehr oft reinigen, ich hätte aber deutlich mehr beobachtbare Teilchen. Mal schauen, ganz zufrieden bin ich mit den bisherigen Ergebnissen eben noch nicht...
Mehr Kontrast mit anderer Lichtfarbe? RGB-LEDs? Filter vor die Linse?
Tolle Sache. Hast Du die Spannung vom Netzteil nachgemessrn? Woher weisst Du das kein Lösemittel and den Kügelchrn hängenbleibt?
Wenn ich den Fokus richtig/gut eingestellt habe, sehe ich die Micropartikel eigentlich nicht so schlecht. Das größere Problem ist, dass ich bis jetzt kein einfach elektrisch geladenes Partikel gefunden habe. Denn dann müsste die Schwebespannung rund 570V betragen. Regle ich auf diese Spannung hoch, hauen mir sämtliche Partikel ab. Ich habe bisher den Schwebezustand scheinbar nur für 2-fach geladene Partikel erzielen können (U = ca. 280V). Ich werde wie gesagt in den nächsten Tagen einmal die Mikropartikel direkt in den Zwischenraum zerstäuben, damit ich viel mehr (geladene) Partikel im Mikroskop beobachten kann. Denn so driften nur sehr wenige Partikel durchs Eintrittsloch (1 mm Durchmesser) und davon sind dann nicht alle elektrisch geladen... Die angezeigte Spannung habe ich mit einem Multimeter überprüft, die stimmt sehr genau. Wenn Lösungsmittel (verwende normales Leitungswasser) an den Mikropartikeln hängen bleibt und sie dadurch schwerer werden, müsste die notwendige Schwebespannung ja noch weiter ansteigen.
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Gestern noch eine Versuchsreihe mit seitlich in die Kammer zerstäubten Partikeln gemacht. Damit erhalte ich logischerweise deutlich mehr Teilchen aber erstens befinden sich diese unterschiedlich weit weg vom Objektiv und deshalb sind nicht alle scharf zu bekommen und zweitens musste ich in den Plexiglasring nicht nur seitlich die Eintrittsöffnung bohren, sondern auch zum Druckausgleich ein zweites Loch. Dadurch ist das Ganze aber zum Teil einer seitwärts gerichteten Luftströmung ausgesetzt und die Teilchen driften nach rechts/links. Zudem habe ich auch bei seitlich eintretenden Partikeln zum Schweben zu niedrige Spannungen benötigt. Gehe ich auf die für q = 1 * e notwendigen Spannungen im Bereich von 600V, so hauen mir sämtliche negativ geladenen Partikel nach oben ab. Ich erhalte wiederum Schwebespannungen im Bereich zwischen 55V und 280V, aber eben nie im Bereich 500-600V. Bei zwei Aufnahmen konnte ich sogar 2 unterschiedlich geladene Teilchen zum Schweben bringen. Jenes mit größerer Ladung schwebte bereits bei geringerer Kondensatorspannung, das weniger geladene benötigte dann eine höhere Spannung, bei der dann das erste bereits nach oben abhaute... Habe auch nochmals die Spannung mit einem Multimeter überprüft aber die passt eigentlich sehr gut. Wenn die Mikropartikel anstelle der angegebenen 1.5 µm nur 1.2 µm Durchmesser hätten, würden eine Schwebespannung von 280V genau einer Ladung von q = 1*e entsprechen. Rechne ich aber mit den 1.5 µm, habe ich noch nie die Ladung 1*e gemessen. Bzgl. der nicht erhaltenen einfachen Elementarladung habe ich mir noch gedacht, dass das Eintrittsloch mit 1 mm Durchmesser vielleicht die Feldstärke in direkter Nachbarschaft des Lochs stark beeinflusst. Aber wenn ich davon ausgehe, dass das Loch die elektrische Feldstärke erniedrigt verglichen mit der Kondensatorformel E = U / d, so müsste ich ja erst recht höhere Schwebespannungen benötigen und nicht zu niedrige.
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Ich bin ja wie gesagt mit den bisherigen Ergebnissen noch nicht 100%ig zufrieden. Daher habe ich mich im Internet weiter schlau gemacht und u.a. in einem Artikel gelesen, dass niedrige Ladungen (1*e) mit einer geringen Wahrscheinlichkeit auftreten. Das würde aber der einen Abbildung widersprechen, wo die Häufigkeiten der jeweils gemessenen Ladungen aufgetragen sind und eben die größte Häufigkeit bei einfacher Elementarladung auftritt. Dann kümmere ich mich noch um den Erwerb einer Latexkugel-Lösung, wie sie eben bei kommerziellen Produkten zum Teil angeboten wird. Da habe ich eine Firma in den USA zwecks Kosten angeschrieben. Das Produkt selbst würde 57 USD kosten. Dann kommen aber noch Bearbeitungsgebühren/Bankgebühren (42 USD) und Versand (stolze 133 USD für ein Fläschchen so groß wie ein Nagellack) dazu. Mit Zoll wäre ich dann für 15ml bei 270 Euro, was einen Literpreis von 18000 Euro macht... Auf einen Teil eines interessanten Artikels (The physics teacher, Jahrgang 1971) bin ich auch gestoßen, wo das Problem mit dem Beschlagen der Glasfenster mit der milchigen Latexkugel-Lösung beschrieben/gelöst wird... Habe deshalb meinen Zerstäuber einmal mit Silikonschlauch und Ballpumpendüse erweitert. Naturlatexschlauch habe ich auch aus China bestellt, das wird aber mehr als 1 Monat dauern. Frohe Weihnachten von mir ...
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