La electricidad es fácil. Aleatorio-aleatorio-toca-OW! Eso es electricidad, nena...

Probar el electrón es un poco más complicado, pero tomando prestada esta pregunta y su respuesta de nuestro sitio hermano, physics.SE, encontramos el experimento Millikan Oil Drop .

Básicamente, se permitió que gotas de aceite cayeran entre dos placas de metal con un campo eléctrico (miles de voltios, no intentes esto en casa) entre ellas. El resultado es que a medida que se cambia el voltaje, las partículas se mueven hacia arriba y hacia abajo. El resultado del análisis es la capacidad de determinar matemática y empíricamente la carga de un electrón.

Lo cual solo puedes hacer si existe, por supuesto.

Sin embargo, frotarse un globo en la cabeza es más divertido. También lo es frotar un gato con una varilla de vidrio y tocar a tu amigo. Demostrar la existencia de la electricidad es tan trivial que es difícil creer la existencia del argumento, a menos que no tengan acceso a la electricidad y no quieran seguir los pasos de Ben Franklin con una cometa, una llave y una tormenta conveniente. .

Teorías en competencia

Como han señalado otras personas, los fenómenos eléctricos son tan comunes que sería irracional que un erudito ignorara lo que un trozo de piel y una varilla de vidrio pueden mostrarle. Demostrar que los fenómenos eléctricos son el resultado de la atracción o repulsión mutua de partículas cargadas diminutas e indivisibles es una tarea mucho más difícil; probablemente haría falta más de un experimento para convencer a los 'anti-electricistas' de que los electrones son reales. Además, es posible que aún se sienta escéptico de que los fenómenos eléctricos sean lo suficientemente poderosos como para haber alimentado las máquinas del pasado.

Así es como lo haría, dado un fin de semana con una sala llena de escépticos y un laboratorio preparado lleno de tecnología 1700-1800:

1) Dos tipos de cargos

Usando una variedad de materiales triboeléctricos (piel y varilla de vidrio, plástico y fieltro, etc.) me turnaría para transferir la carga (al tacto) a algunas esferas metálicas suspendidas: Si tomamos la piel y la varilla de vidrio como ejemplo, hay son tres posibilidades:

1. Toco el pelaje de ambas esferas de metal de forma independiente. En este caso las dos esferas se repelen.
2. Toco el vidrio con ambas esferas de metal de forma independiente. En este caso todavía repelen.
3. Toco el cristal con una esfera y la piel con la otra. En este caso se atraen.

A partir de esto, y repitiendo el experimento para diferentes materiales, hago la hipótesis de que solo hay dos tipos de cargas, y las cargas similares se repelen mientras que las opuestas se atraen. Tenga en cuenta que esto no dice nada acerca de que los cargos sean discretos; Todavía tengo que demostrar que la presencia de carga 'positiva' y 'negativa' no es similar a un fluido (es decir, es una sustancia continua sin 'cantidad más pequeña').

2) Tubo de Crooke

Después de demostrar el frotamiento de vidrio sobre piel o fieltro y el plástico puede separar cargas, demostraría una máquina que toma ese proceso y lo repite continuamente: la máquina de Wimhurst que se muestra arriba es un generador de alto voltaje accionado a mano. Un generador Van de Graaff también sería suficiente para este propósito. Después de repetir los mismos experimentos que en la parte 1), conectaría el generador a un tubo de vidrio parcialmente vacío con una sola superficie de metal en el interior como se muestra:

La placa de metal, llamada cátodo , está presente en la parte posterior del tubo, mientras que el segundo conector de metal se coloca en otro lugar (la parte inferior en este caso). La cruz en esta imagen está eléctricamente aislada. Cuando se pone en marcha el generador, los rayos catódicos emanan y proyectan una sombra. La presencia de la sombra indica claramente que algo está saliendo del cátodo, viajando en línea recta y golpeando la pared del tubo. Esto ayuda a confirmar que, de hecho, hay una transferencia de algún tipo de material eléctrico durante los fenómenos eléctricos, en lugar de estar imbuido de una 'propiedad eléctrica'.
Como beneficio adicional, colocar una esfera cargada eléctricamente junto al tubo desviará los rayos catódicos, lo que confirmará su naturaleza eléctrica.

3) Experimento de la gota de aceite de Millikan

Una vez que haya demostrado que solo existen dos cargas y que una sustancia real es responsable de la electricidad, el clavo en el ataúd es, por supuesto, el experimento de la gota de aceite realizado por Harvey Fletcher y Robert Millikan en 1906. Creo que el experimento podría haberse realizado. con tecnología anterior; tal vez en esta sociedad las partes necesarias podrían recolectarse en lugar de fabricarse. Aquí hay un diagrama del experimento: Este es un experimento estadístico .: a medida que las gotas de aceite entran en la cámara, reciben una pequeña carga eléctrica neta. Al variar la carga aplicada a las placas, debería poder aplicar la fuerza de atracción eléctrica correcta para suspender la pequeña gota de aceite contra la atracción de la gravedad. Esto le permite calcular la fuerza de suspensión de las placas. Lo que Fletcher y Millikan notaron fue que la fuerza siempre es un múltiplo entero . Eso indica que la cantidad de carga presente es discreta , lo que los modelos fluídicos/etéricos de electricidad no pueden explicar. Con un poco más de matemáticas y un cálculo de la masa de la gota de aceite, puedes calcular la carga del electrón. Aunque eso no es estrictamente necesario si lo único que te importa es mostrar la naturaleza discreta de la carga eléctrica.

Señalaré que en la ingeniería eléctrica actual prácticamente hacemos esto. Aunque no con los adornos neo-luditas. Por lo general, pensamos en términos de voltios y amperios que fluyen de positivo a negativo, y nunca en los electrones*; ese es territorio de los físicos. ¿Y por qué no? La mayoría de las veces, los pequeños detalles de los electrones no importan en la electrónica.

Para demostrar la existencia de electrones, debe demostrar que son útiles en la práctica como parte de su modelo mundial. Para esto usted quiere llamar a los químicos, quienes se ocupan de los electrones de una manera más directa. Unas pocas rondas de demostración comenzando con la famosa batería de limón deberían ser suficientes: diferentes metales y electrolitos tendrán diferentes resultados que se pueden predecir en función de su valencia, en última instancia, reconstruyendo una batería de automóvil desde los primeros principios.

La razón por la que queremos un químico es porque queremos a alguien calificado para predecir lo que sucede cuando variamos arbitrariamente las condiciones. Esto entonces se convierte en la base de nuestra prueba: si los electrones no existieran, no seríamos capaces de predecir lo que sucede con diferentes sustancias en función de las propiedades de sus electrones (entre otras). Como podemos, podemos refutar la inexistencia de electrones.

*Esto se llama 'Corriente Convencional'. En realidad, los electrones fluyen de negativo a positivo, pero tiene el mismo resultado, por lo que a nadie le importa.

Generador Van de Graaff

Tome una varilla de vidrio y un trozo de seda , o un trozo de ámbar y un poco de piel (posiblemente la mejor opción post-apocalíptica). Frote los dos juntos vigorosamente durante quizás 10 o 20 segundos; he descubierto que 10 es suficiente. ¡Felicidades! Has transferido el cargo. Más importante aún, puedes hacer cosas con este cargo. No es difícil hacer un generador Van de Graaff de mesa ( aquí hay uno en acción ), que usa un mecanismo similar para transferir carga a una esfera de metal. Si toma una segunda esfera de metal y la mantiene lo suficientemente cerca. . . obtienes una chispa! Es una demostración bastante dramática, incluso a pequeña escala.

^{Un pequeño generador Van de Graaff. Imagen cortesía del usuario de Wikipedia Lefrancq bajo la licencia Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported .}

Volviendo al ámbar y la piel (que, por cierto, podrían mencionarse en uno de esos libros apócrifos), está claro que algo tiene que ser transferido, cierto, algún tipo de carga. Ahí es donde entra el electrón. Defina un electrón simplemente como una partícula que lleva carga, o simplemente diga que es un poco de carga. Las pequeñas chispas que puedes generar deberían convencer a la gente de que efectivamente existe tal objeto.

bobinas de Helmholtz

Otra posibilidad, una que me gusta aún más, involucra el uso de bobinas de Helmholtz . Las bobinas de Helmholtz son pares de manojos circulares de alambre, cada manojo tiene un gran número de bucles, separados por una distancia del orden del diámetro de los alambres. Cuando pasa una corriente a través de los cables, se crea un campo magnético simple entre las bobinas, que es uniforme a mitad de camino entre los dos. Si llena una cámara con el tipo correcto de gas, he usado helio, y encuentra una manera de expulsar electrones en la cámara en el ángulo correcto, colocando la cámara dentro de las bobinas, los electrones seguirán un camino circular, colisionando y excitando los átomos de helio, haciéndolos emitir luz. Es bastante dramático.

El único problema, por supuesto, es que las bobinas de Helmholtz funcionan con electricidad, que claramente no tienes. Por lo tanto, si puede alimentar las bobinas a mano de alguna manera (poco probable) o generar un campo magnético uniforme a partir de uno o más imanes permanentes, esto puede funcionar, y probablemente convenza aún más a los que dudan, ya que pueden ver el camino del electrones

Así es como se ve el aparato, desde un lado:

^{Imagen de mi manual de laboratorio en mi universidad. Crédito de la imagen Adam Light.}

Se ha argumentado que estos experimentos simplemente muestran que existe alguna sustancia o fluido con carga eléctrica. No es difícil construir un argumento de que debe haber algunos componentes pequeños de ese fluido; después de todo, puede hacer el mismo argumento para los átomos a través del movimiento browniano usando nada más que un microscopio mínimo. Si los fluidos normales están formados por pequeñas partículas, ¿por qué no debería hacerlo este "fluido eléctrico"?

Demostrar que existe una fuerza y ​​que se puede aprovechar para realizar un trabajo útil es fácil. Solo necesita una dinamo estándar de pantano con una manivela, un motor eléctrico y algunos cables para conectarlos. Incluso si no tiene baterías para almacenar energía, este equipo le permitirá demostrar que la fuerza motriz se transfiere de alguna forma que claramente no es mecánica (el cableado no se mueve y no sería lo suficientemente grande o fuerte para transportarlo). tanta fuerza incluso si lo hiciera).

Eso no prueba ninguna de las otras propiedades del electrón, o que sea en lo que los antiguos basaron su tecnología, pero es una clara evidencia de que algo está sucediendo.

¡Baterías!

Las baterías fueron la primera fuente confiable de electricidad y quizás se remontan a la antigüedad . Puede, con un poco de esfuerzo, generar una pila de placas para producir un voltaje sustancial, suficiente para un arco. La prueba de electricidad se obtiene simplemente al usar cables para llevar la carga a donde quieras.

La prueba del electrón es más difícil. Históricamente, algunos consideraban que la electricidad era un fluido. Como se señaló anteriormente, la química es una buena manera de mostrar que algo integral está sucediendo ya que las reacciones ocurren en proporciones estequiométricas. Una vez más, el experimento de la gota de aceite de Millikan fue la primera demostración clara de la naturaleza cuantificada de la carga.

Los experimentos de Thomson establecieron la identidad de los electrones:

Encontró que la relación masa-carga era más de mil veces menor que la de un ion de hidrógeno (H+), lo que sugiere que las partículas eran muy ligeras y/o muy cargadas. Significativamente, los rayos de cada cátodo produjeron la misma relación masa-carga. Esto contrasta con los rayos del ánodo (ahora se sabe que surgen de los iones positivos emitidos por el ánodo), donde la relación masa-carga varía de ánodo a ánodo.

La existencia de rayos catódicos y anódicos, junto con la independencia del material de los rayos catódicos, demuestra que hay algún portador de carga común a todos los materiales utilizados.

https://en.wikipedia.org/wiki/J._J._Thomson#Measurement_of_mass-to-charge_ratio

Para generar el vacío duro que se necesita para los rayos catódicos, necesitará algunos elementos de vidrio y mercurio.

https://en.wikipedia.org/wiki/Sprengel_pump

https://en.wikipedia.org/wiki/McLeod_gauge

Para alimentar el aparato, necesitaremos energía confiable, siendo las principales opciones las celdas electrolíticas y su elección de generador.

Hasta ahora necesitamos:

• una buena cantidad de cobre estirado en alambres;

• soplado de vidrio (la fabricación de vidrio capilar de diámetro estrecho puede ser un desafío);

• mercurio metálico; y

• una fuente de energía eléctrica, muy probablemente una de:

  • metales y ácido concentrado para química de baterías o

  • imanes, marco y cojinete para una dinamo.

¿Qué, también quieres una medición de precisión? Por supuesto que sí. Por conveniencia, solo señalaré que es posible, si no común, impulsar su camino con superficies de precisión.

https://en.wikipedia.org/wiki/Surface_plate#Historia

Hasta ahora, los materiales exteriores que necesitamos eran más o menos conocidos por la época medieval. También deberíamos pedir algunos abrasivos; tal vez tengamos suerte y podamos obtener zafiro de baja calidad. Los procesos de fabricación de acero más modernos también estarían bien, y podríamos terminar pidiendo platino refinado o tungsteno como parte de las herramientas y nuestros tubos de vacío.

Como alternativa al aislamiento de los propios electrones, podríamos centrarnos en los semiconductores en bruto. Con alambre, galena y un conductor de punta muy fina (probablemente necesitemos acero de alta calidad aquí), podemos comenzar a trabajar en experimentos de RF, AM y un detector.

No estoy seguro de dónde poner esto, pero con un rectificador podemos hacer que los experimentos de Thomson funcionen con mayor seguridad, ya que cualquier diseño de generador podría usarse como fuente de CC. Es tan bueno como hecho si puede aislar, digamos, cadmio y selenio. https://en.wikipedia.org/wiki/Metal_rectifier

Por cierto, es muy probable que necesite eliminar todos los artefactos eléctricos y, si no toda la memoria humana, para 'perder' la conciencia de los electrones como entidades reales.