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Zielformel:

Q=mgdU,r=9ηv2ρg,Q=n⋅e ⇒ e=1,602⋅10−19 C

Gültigkeitsbereich / Annahmen:

  • Homogenes Feld im Plattenkondensator: E=U/d (Plattenabstand d klein gegen die Plattenausdehnung).
  • Öltröpfchen als winzige Kugel; gleichmäßiges Sinken nach dem Stokes-Gesetz (laminar, langsam, kleine Kugel).
  • Öl statt Wasser: verdunstet während der Messung nicht, m,r bleiben konstant; Auftrieb in Luft vernachlässigt (Physik+-Hinweis im Skript).
  • In Phase 2 wird im gleichförmigen Sinkabschnitt abgelesen (nachdem das Kräftegleichgewicht erreicht ist).

Verwendete Formeln ​

FormelNameFormelnheft
F=E⋅QKraft im elektrischen Feld✅ S. 4 („F=E⋅Q")
W=Δφ⋅Q=U⋅Qelektrische Arbeit/Spannung✅ S. 4 („W=U⋅Q", für die Herleitung von E=U/d)
F=m⋅gGewichtskraft✅ S. 2 („F=m⋅g")
FW=6πηrvStokes-Reibung✅ S. 2 („Stokes")
ρ=mVDichte✅ S. 2 („ρ=mV")
VKugel=43πr3Kugelvolumen❌ Mathematik, nicht im Formelnheft — selbst hinschreiben
E=UdFeldstärke im homogenen Feld❌ nicht im Formelnheft — in zwei Zeilen herleiten: W=F⋅d (S. 2) und W=U⋅Q (S. 4) → Fd=UQ → E=FQ=Ud
e=1,602⋅10−19 CElementarladung✅ S. 1 (Konstanten)

Herleitung (Schritt für Schritt) ​

Phase ① — Schweben (Schwebephase) ​

  1. Schwebebedingung ansetzen (Spannung so einstellen, dass das Tröpfchen ruht: Gesamtkraft null, die elektrische Kraft nach oben gleicht genau die Gewichtskraft nach unten aus — das ist die Definition des Schwebens):FE=FG
  2. Beide Kräfte einsetzen (links F=E⋅Q von S. 4, rechts F=m⋅g von S. 2):Q⋅E=m⋅g
  3. Plattenkondensator-Feldstärke E=U/d einsetzen und nach Q auflösen (Zweizeilen-Herleitung von E=U/d siehe Tabelle; beide Seiten durch E teilen):Q=mgE=mgdUHier lässt sich Q noch nicht berechnen: U,d,g sind bekannt, aber die Masse m des winzigen Tröpfchens kann man nicht direkt wiegen — genau dafür braucht es Phase ②.

Phase ② — Feld aus, gleichförmiges Sinken (Sinkphase) ​

  1. Kräftegleichgewicht beim gleichförmigen Sinken ansetzen (ohne Feld bleibt nur die Gewichtskraft, das Tröpfchen beschleunigt; die Stokes-Reibung FW=6πηrv wächst mit v, bis sie die Gewichtskraft genau ausgleicht — danach konstante Geschwindigkeit. Im gleichförmigen Abschnitt: Reibung = Gewicht):6πηrv=mgEine Gleichung, zwei Unbekannte (m und r) → eine zweite Beziehung ist nötig.
  2. m über die Dichte als Funktion von r ausdrücken (ρ=m/V von S. 2 nach m auflösen, Kugelvolumen V=43πr3; die Öldichte ρ ist bekannt):m=ρ⋅V=ρ⋅43πr3
  3. In Schritt 4 einsetzen, m eliminieren (jetzt ist r die einzige Unbekannte):6πηrv=ρ⋅43πr3⋅g
  4. Beide Seiten durch π und durch r teilen (r≠0, also erlaubt; rechts wird aus r3 ein r2):6ηv=43ρgr2
  5. Nach r2 auflösen (durch 43ρg teilen; Division durch einen Bruch = Multiplikation mit dem Kehrwert: 64/3=6⋅34=184=92):r2=6ηv43ρg=9ηv2ρg
  6. Wurzel ziehen (positive Wurzel — ein Radius ist positiv):r=9ηv2ρgRechts stehen nur messbare/bekannte Größen (η,v,ρ,g) → r ist bestimmt; zurück in Schritt 5 liefert das die Masse m.

Phase ③ — Rückeinsetzen und Auswertung ​

  1. Das m aus Phase ② in Schritt 3 einsetzen (jetzt ist jede Größe bekannt; die Ladung jedes einzelnen Tröpfchens ist berechenbar):Q=mgdUmitm=ρ43πr3,r=9ηv2ρg
  2. Für viele Tröpfchen wiederholen und auftragen (die entscheidende Beobachtung: die Q-Werte füllen die Zahlenachse nicht gleichmäßig, sondern liegen nur auf äquidistanten „Stufen" mit Lücken dazwischen):Q=n⋅e,n=1,2,3,…
  3. Stufenabstand ablesen = Elementarladung (wäre Ladung beliebig teilbar, müssten die Messwerte kontinuierlich verteilt sein; diskrete Stufen lassen sich nur durch eine kleinste, unteilbare Ladungsportion erklären):e=1,602⋅10−19 C(Formelnheft S. 1; im Skript gerundet 1,6⋅10−19)Fazit: Die Ladung ist gequantelt — jede Ladung ist ein ganzzahliges Vielfaches von e.

Größenordnungs-Beispiel (unabhängig nachgerechnet, kein Pflichtstoff) ​

Typische Werte: ηLuft=1,82⋅10−5 Pa·s, v=1,0⋅10−4 m/s, ρÖl=900 kg/m³, g=9,807 m/s²:

  • r=9⋅1,82⋅10−5⋅10−42⋅900⋅9,807=9,28⋅10−13≈9,6⋅10−7 m≈1 μm (im Mikroskop sichtbar ✓)
  • m=900⋅43π(9,6⋅10−7)3≈3,4⋅10−15 kg
  • Mit Q=2e und d=6 mm: Schwebespannung U=mgdQ=3,4⋅10−15⋅9,807⋅0,0063,204⋅10−19≈6⋅102 V — einige hundert Volt, experimentell völlig plausibel ✓

Variablentabelle ​

SymbolBedeutungSI-Einheit
QLadung des ÖltröpfchensC
eElementarladung =1,602⋅10−19 C (Formelnheft S. 1)C
nganze Zahl (Anzahl der Ladungsportionen)—
Eelektrische Feldstärke zwischen den PlattenV/m = N/C
USpannung zwischen den PlattenV
dPlattenabstandm
mMasse des Öltröpfchenskg
gGravitationsfeldstärke =9,807 m/s² (Formelnheft S. 1)m/s²
ηViskosität der Luft (Zähigkeit)Pa·s
rRadius des Öltröpfchensm
vgleichförmige Sinkgeschwindigkeit (Messwert)m/s
ρDichte des Öls (bekannte Materialkonstante)kg/m³
VVolumen des Öltröpfchensm³
FE,FG,FWelektrische Kraft / Gewichtskraft / Stokes-ReibungN

Verknüpfungen ​

  • H12 — das hier gemessene e ist die Brücke der eV↔J-Umrechnung (1 eV=e⋅1 V).
  • Thema 4 §4.3 — Skript-Fassung: Aufbau, „warum Öl statt Wasser", „warum nicht im Vakuum", drei Phasen Schritt für Schritt.
  • Thema 14 §14.2 — die Ladungsquantelung im Kontext der Elektrizitätslehre (Q=n⋅e und Ladungserhaltung).