براكسيلابس المدونة العربية لمعامل العلوم الإفتراضية براكسيلابس
تُعد تجربة مليكان عندما تتغير شحنة قطرة الزيت واحدة من أكثر التجارب الفيزيائية دقة وتأثيراً، خاصة عند ملاحظة ما يحدث عندما تتغير شحنة قطرة الزيت. ففي كل مرة تكتسب القطرة إلكتروناً أو تفقده، يتغير سلوكها داخل المجال الكهربائي بشكل واضح، ما بين الصعود أو الهبوط أو التعليق في الهواء.
في هذا المقال، نستعرض كيف قاد تغير شحنة قطرة الزيت مليكان إلى قياس شحنة الإلكترون بدقة غير مسبوقة، ولماذا لا تزال هذه التجربة حجر أساس في تعليم الفيزياء الحديثة وما هو هدف تجربة مليكان عندما تتغير شحنة قطرة الزيت؟ وأهم النتائج، وكيف تتغير حركة القطرة؟
ما هي تجربة مليكان؟
تجربة مليكان عندما تتغير شحنة قطرة الزيت هي تجربة فيزيائية شهيرة قام بها روبرت ملیكان وھارفي فلیتشر على قطرة زیت لتحدید شحنة الإلكترون. حیث قاما بتعلیق قطرات الزیت الصغیرة المشحونة بین لوحین معدنیین عن طریق موازنة قوة الجاذبیة لأسفل مع قوة السحب لأعلى والقوى الكھربائیة.
وقد كانت كثافة الزیت معروفة، لذلك تمكن ملیكان وفلیتشر من تحدید كتلة القطرات من نصف قطرھا المرصود (لأنه بمعرفة نصف القطر یمكنھما حساب الحجم وبالتالي الكتلة).
وعن طریق استخدام المجال الكھربائي المعروف وقیم الجاذبیة والكتلة، حدد ملیكان وفلیتشر شحنة قطرات الزیت في حالة الإتزان المیكانیكي. ومن خلال تكرار التجربة، أكدا أن جمیع الشحنات الكھربائیة ھي دائمًا من مضاعفات لقیمة أساسیة محددة یحملھا الإلكترون.
وقاما بحساب هذه القيمة فكانت 1.5924 × 10-19 (كولوم)، والتي تعتبر في نطاق 1% من القيمة المقبولة حالياً لـ 19-10 e = 1.602176487 x .
وافترضا أن هذه كانت شحنة إلكترون واحد.
وقد منحت جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1923 لروبرت أندروز مليكان «لعمله على الشحنة الأساسية الكهربائية وكذلك في التأثير الكهروضوئي».
ما هو الهدف تجربة مليكان عندما تتغير شحنة قطرة الزيت؟
يتم رش قطرات الزيت في منطقة بين لوحين حيث يتم تطبيق مجال كهربائي. تكتسب قطرات الزيت بعض الشحنة من مصدر مؤين.
وبالتالي تتأثر حركة قطرة الزيت بين الألواح بكتلتها وكمية الشحنة التي اكتسبتها من الإشعاع المؤين. يتم التحكم في حركة الشحنة من خلال قيمة المجال الكهربائي المطبق وقطبيته، وبالتالي قد تسقط أو ترتفع أو حتى تظل ثابتة بين الألواح.
الهدف من تجربة قطرة الزيت لمليكان:
- إثبات قيمة الشحنة كمياً.
- تحدید شحنة الإلكترون الأساسیة.
اقرأ ايضاً: معمل افتراضي فيزياء لتبسيط محاكاة العلوم فى الجامعات
ما هي نتائج تجربة مليكان عندما تتغير شحنة قطرة الزيت؟
عندما تكتسب القطرة أو تفقد إلكترونات (بفعل الأشعة أو التصادمات):
- تتغيّر القوة الكهربائية المؤثرة عليها.
- ينعكس ذلك مباشرة على حركتها (تصعد، تهبط، أو تبقى معلّقة
- عند إعادة حساب الشحنة في كل مرة، تظهر قيمة مختلفة.
اما عن النتائج المثبتة:
إثبات تكميم الشحنة الكهربائية
الشحنة لا تتغير بقيم عشوائية، بل على خطوات ثابتة.
تحديد شحنة الإلكترون بدقة عالية
e=1.6×10−19
تأكيد أن الإلكترون جسيم حقيقي له شحنة ثابتة
دعم مباشر للنموذج الذري الحديث.
كيف تتغير حركة القطرة؟
في تجربة ميلكان لقطرة الزيت تتغير حركة القطرة بحسب القوى المؤثرة عليها، وخصوصاً عند تشغيل أو إيقاف المجال الكهربائي. التغيّر يمر بعدة حالات واضحة:
في وجود المجال الكهربي : تتعرض قطرات الزیت المتواجدة في المجال الكھربائي بین اللوحین لثلاث قوى مختلفة: قوة الجاذبیة، القوة الكھربیة، وقوة اللزوجة (قوة الاحتكاك أو ” الإعاقة” بین الھواء وقطرة الزیت).
وبتحلیل ھذه القوى المختلفة، یمكن اشتقاق صیغة تمكّننا من قیاس الشحنة على قطرة الزیت وتحدید وحدة شحنة الإلكترون. إذا كانت m ھي كتلة القطرة (كرة) بین اللوحین، فإن قوة الجاذبیة الأرضیة التي تؤثر على القطرة ھي Fg = m g
عند غیاب المجال الكھربائي، ستصبح قوة مقاومة المائع (قوة اللزوجة) ھي القوة الوحیدة التي ستؤثر على القطرة بین الزیت والھواء.
اقرأ ايضاً: تحديد معامل اللزوجة باستخدام طريقة ستوكس
لماذا تطفو قطرات الزيت في تجربة مليكان؟
يمكن تلخيص تجربة قطرة الزيت لمليكان كالآتي:
تبدو قطرات الزيت وكأنها تطفو في تجربة مليكان، لكن هذا لا يحدث بسبب الطفو الحقيقي، بل بسبب توازن دقيق بين القوى المؤثرة عليها.
السبب الأساسي: توازن القوى
عند تشغيل المجال الكهربائي، تؤثر على القطرة ثلاث قوى رئيسية:
- قوة الجاذبية التي تسحب القطرة إلى أسفل (وزنها).
- القوة الكهربائية ال ناتجة عن شحنة القطرة والمجال الكهربائي. ويمكن توجيهها لأعلى فتقاوم الجاذبية
- مقاومة الهواء التي تعاكس الحركة لكنها لا تؤثر عندما تكون القطرة ساكنة.
تطفو القطرة عندما تتساوى القوة الكهربائية لأعلى مع وزن القطرة لأسفل
- تصبح محصلة القوى = صفر
- لا تتحرك القطرة
- تظهر وكأنها معلّقة أو طافية في الهواء.
كيف تم تحديد قيمة المجال الكهربائي في تجربة مليكان؟
في تجربة قطرة الزيت ميليكان، یمكن تولید مجال كھربائي موحد d/V = E من خلال تطبیق فرق الجھد الكھربائي V بین اللوحین المنفصلین بمسافة d.
وبالتالي سمح بموازنة القوى المؤثرة على قطرات الزيت المشحونة (الجاذبية والكهربائية) لتحديد شحنة الإلكترون بدقة.
تصفح قائمة تجارب افتراضية لمختلف العلوم من براكسيلابس
أفضل محاكاة لتجربة مليكان في معامل براكسيلابس
توفربراكسيلابس معامل افتراضية ثلاثية الابعاد غامرة وتفاعلية لتجربة مليكان قطرة الزيت بهدف إثبات تكمیة الشحنة و تحدید شحنة الإلكترون الأساسیة.
في نھایة ھذه التجربة، یجب أن یكون الطالب قادراً على:
- تفسیر تأثیر المجال الكھربائي على حركة الجسیمات المشحونة بداخله.
- تحلیل حركة قطرة الزیت المشحونة داخل مجال كھربائي من ناحیة عوامل مختلفة تؤثر على حركتھا.
- إثبات أن الشحنة الكھربائیة تتواجد كوحدات منفصلة عن بعضھا البعض ” تكمیة الشحنة “.
- قیاس شحنة الإلكترون الأساسیة (أصغر وحدة منفصلة للشحنة) e
أطلب ديمو مجاني الآن! لتعش تجربة المعامل الإفتراضية
الأسئلة الشائعة
ما هي شحنة الإلكترون التي قاسها مليكان في تجربة قطرة الزيت؟
عن طریق استخدام المجال الكھربائي المعروف وقیم الجاذبیة والكتلة، حدد ملیكان وفلیتشر شحنة قطرات الزیت في حالة الإتزان المیكانیكي. ومن خلال تكرار التجربة، أكدا أن جمیع الشحنات الكھربائیة ھي دائمًا من مضاعفات لقیمة أساسیة محددة یحملھا الإلكترون
e=1.6×10−19
متى تعلق قطرة الزيت في تجربة مليكان عندما تكون قوة الجاذبية؟
تكون قطرة الزيت معلّقة (ساكنة) عندما تكون قوة الجاذبية = القوة الكهربائية
أي أن:
- قوة الجاذبية (وزن القطرة) تشدها إلى أسفل.
- القوة الكهربائية الناتجة عن المجال الكهربائي تشدها إلى أعلى بالقيمة نفسها.
عندها محصلة القوى = صفر و سرعة القطرة = صفر وتبدو القطرة ثابتة في الهواء.
لماذا مليكان استخدم الزيت بدلاً من الماء؟
الزيت كان الخيار المثالي لأن خصائصه الفيزيائية (قلة التبخر، الثبات، وسهولة الشحن) مكّنت مليكان من قياس شحنة الإلكترون بدقة غير مسبوقة.
