L’esperimento di Millikan condotto nel 1909, consente di misurare la carica dell’elettrone mediante lo studio del moto di gocce nebulizzate ed elettricamente cariche all’interno di un apposito apparato; al tempo stesso permette di dimostrare il fenomeno di quantizzazione delle cariche elettriche. Si tratta di un esperimento “milestone” in fisica, che ha avuto conseguenze cruciali nello sviluppo dello studio dei fenomeni elettrici ed ha permesso di determinare per la prima volta una stima della carica elettrica dell’elettrone mediante considerazioni di tipo dinamico e fluidodinamico.

Il diagramma mostra una versione semplificata dell'apparato sperimentale della misura originaria di Millikan. Tramite un condensatore a facce piane e parallele si genera un campo elettrico costante ed uniforme la cui intensità può essere variata tramite un generatore di tensione.

Delle goccioline d'olio vengono nebulizzate con uno spruzzatore in una cella al di sopra del condensatore e da lì cadono per gravità nella regione dove è presente il campo elettrico. Durante questo procedimento alcune delle goccioline d'olio si elettrizzano per strofinio, in genere negativamente, contro l'ugello dello spruzzatore e quindi diventano elettricamente cariche. Durante la loro caduta, in assenza di campo elettrico, queste sperimentano un attrito con l'aria e quindi raggiungono rapidamente una velocità di regime (costante) che dipende dal loro raggio $r$ e dalla loro densità $\rho$ tramite la relazione:

$$v_1=\frac{2 (\rho - \rho_{aria})gr^2 }{9 \eta}$$

dove $\rho_{aria}$ e $\eta$ sono, rispettivamente, la densità e la viscosità dell'aria e $g$ è l'accelerazione gravitazionale. Questa velocità viene misurata osservando direttamente le goccioline d'olio, opportunamente illuminate, tramite un microscopio. Applicando un campo elettrico uniforme nel verso corretto, le goccioline ionizzate vengono sospinte verso l'alto e raggiungono una nuova velocità di regime (data dall'equilibrio fra la forza di gravità, la forza di Coulomb, e la forza d'attrito viscoso) che può essere misurata nello stesso modo. Questa velocità dipende da molti parametri fra cui:

• il campo elettrico applicato (noto perché regolabile dall'esterno);
• la densità dell'olio e dell'aria (che possono essere misurate indipendentemente);
• la viscosità dell'aria (anch'essa misurabile indipendentemente);
• le dimensioni delle singole goccioline che possono essere ricavate dalla prima misura di velocità.

L'unica variabile ignota è la carica trasportata da ciascuna goccia d'olio che quindi può essere ricavata dalla misura della velocità di regime in presenza di campo elettrico. Ripetendo molte volte l'esperimento si ottiene che tutti i valori ottenuti sono multipli interi di una carica elettrica pari a $−1,6\cdot 10^{−19} \ C$ che viene quindi assunta essere una carica elementare ovvero la carica del singolo elettrone.

Ecco come si presentava l’apparato sperimentale utilizzato da Millikan.

Il dispositivo illustrato di seguito è una rielaborazione di quello originariamente utilizzato da Millikan realizzato della casa costruttrice Leybold-Heraeus. Per ulteriori dettagli meccanici e tecnici si faccia riferimento alla scheda tecnica 559 41/42 che accompagna lo strumento. L’apparato sperimentale consta di due porzioni fondamentali: l’apparato di Millikan e l’alimentatore.

Apparato di Millikan Leybold: Instruction Sheet 559 41/42

1) Microscopio con scala graduata grazie al quale potremmo guardare all’interno della camera di Millikan.
2) Manopola per la messa a fuoco.
3) Camera di Millikan (costituita dalle due armature di un condensatore caricato ad un potenziale regolabile).
4) Boccole che applicheranno la tensione continua al condensatore creando così il campo elettrico.
5) Dispositivo di Illuminazione.
6) Manopola per regolare la posizione della lampadina.
7) Nublizzatore d’olio.
8) Cavo di connessione per la tensione della lampada.
9) Manopola per la regolazione dell’altezza del microscopio.

Alimentatore per l'apparato di Millikan Leybold: Instruction Sheet 559 41/42

10) Boccolo per il cronometro 1: per la misura del tempo di caduta.
11) Boccole per il collegamento della tensione del condensatore.
12) Boccole per il cronometro 2: per la misura del tempo di risalita.
13) Led di sgnalazione del collegamento alla rete.
14) Regolatore di tensione (da 0 a 600 V) da applicare al condensatore.
15) Boccola per collegare il dispositivo alla illuminazione.
16) Commutatore per accensione o spegnimento della tensione (sincronizzato con il trigger dei cronometri).
17) Interruttore per aprire e chiudere il circuito dei cronometri.
18) Voltmetro per indicare la tensione applicata tramite il regolatore 14) alle armature del condensatore di Millikan.