Explique/detalhe o que é a quantização da carga e a carga elementar e qual a importância/papel do experimento de Millikan.
Passo 1
O enunciado pede para explicar o conceito de quantização da carga elétrica, definir a carga elementar e mostrar por que o experimento de Millikan foi crucial para estabelecer esses conceitos. O conteúdo envolve eletrostática e história da física experimental.
Passo 2
A quantização da carga elétrica é a propriedade de que qualquer carga isolada
só pode ocorrer em múltiplos inteiros de uma “unidade fundamental” de carga. Em outras palavras, existe um valor mínimo de carga, abaixo do qual não se observam cargas menores, e toda carga comprovadamente observada satisfaz
onde
é um número inteiro (positivo, negativo ou zero) e
é a carga elementar.
Passo 3
A carga elementar é esse valor mínimo de carga elétrica observado na natureza. Ela corresponde à carga de um próton (ou em módulo, de um elétron) e seu valor experimentalmente determinado é
Esse valor representa a unidade básica de carga, de forma que não se encontra nenhuma partícula livre com carga menor que
.
Passo 4
No experimento de Millikan (1909), gotículas de óleo carregadas eletricamente eram pulverizadas entre duas placas metálicas horizontais. Ajustando a diferença de potencial entre as placas, Millikan fazia as gotas ficarem “flutuando” em equilíbrio, pois as forças elétrica e gravitacional se anulavam:
onde
é a carga da gota,
o campo elétrico aplicado,
a massa da gota e
a aceleração da gravidade. Medindo
e estimando
(pelo raio da gota, obtido via viscosidade do ar), ele determinou
para muitas gotas e descobriu que todos os valores caíam em múltiplos inteiros de um mesmo valor mínimo, que ele identificou com
.
Passo 5
A importância do experimento de Millikan foi dupla:
- Ele confirmou experimentalmente que a carga está de fato “quantizada” em unidades discretas.
- Ele forneceu a primeira medida precisa do valor da carga elementar
, fundamento de toda a eletrostática e da teoria atômica.
Resposta
A quantização da carga significa que qualquer carga
é um múltiplo inteiro da carga elementar
. A carga elementar, medida por Millikan, vale
O experimento de Millikan foi fundamental para demonstrar essa quantização e fixar o valor de
, corroborando a ideia de que a matéria é composta por partículas carregadas discreteamente.