En ce moment, vous peut probablement simplement demander à votre smartphone de vous indiquer la charge d’un seul électron, l’unité de charge fondamentale. (Il a une magnitude de 1,6 x 10–19 coulombs, l’unité commune de la charge électrique.) Mais en 1909, les choses n’étaient pas si simples. À l’époque, les physiciens Robert Millikan et Harvey Fletcher l’ont découvert en utilisant du pétrole. Leur expérience de la « goutte d’huile » n’était pas la première méthode à trouver cette valeur, mais c’est peut-être la plus célèbre, et elle a conduit Millikan à recevoir le prix Nobel en 1923.

Cette expérience historique illustre quelques concepts de physique importants, et ce n’est pas trop compliqué, alors revoyons-les !

Les quatre forces

Cette expérience traite des gouttes d’huile – je veux dire, c’est juste là dans le nom. Mais, en réalité, cela dépend de la compréhension de quatre forces différentes : la force gravitationnelle, la force électrique, la force de flottabilité et une force de résistance de l’air. L’idée est d’utiliser ces quatre pour mesurer la valeur de la charge électrique sur une seule goutte d’huile.

Vous connaissez sûrement déjà la force gravitationnelle. Si je devais deviner, je dirais que vous êtes quelque part à la surface de la Terre. Cela signifie que vous ressentez probablement une force gravitationnelle comme une interaction entre votre masse et la masse de la Terre. Nous pouvons modéliser cette interaction en considérant la Terre comme créant un champ gravitationnel, un vecteur pointant vers le bas d’une magnitude de 9,8 newtons par kilogramme. Une masse dans ce champ gravitationnel subira une force égale au produit de la masse de l’objet et du champ gravitationnel. (Bien sûr, ce n’est qu’un modèle. Si vous vous déplacez trop haut au-dessus de la Terre, vous aurez besoin d’un modèle différent.)

Le suivant est la force électrique. Il s’agit d’une interaction entre deux objets qui ont une charge électrique. Tout comme avec la force gravitationnelle, nous pouvons trouver la force électrique en mettant une seule charge dans une région avec un champ électrique (E) en unités de newtons par coulomb. La force électrique sera alors le produit de la charge de l’objet (q) et le champ électrique.

Les deux forces précédentes semblent se compléter. Mais les deux suivants sont un peu différents. Ils ont à voir avec l’interaction entre l’huile et l’air dans lequel elle tombe. Vous comprenez déjà la force de traînée de l’air si vous avez déjà passé la main par la fenêtre d’une voiture en mouvement. Au fur et à mesure que vous augmentez la vitesse de la voiture, cette force de traînée de l’air sur votre main augmente également.

Pour les objets de la taille de votre main, la force de traînée de l’air est proportionnelle au carré de la vitesse de la main. Cependant, si vous avez un très petit objet sphérique (comme une goutte d’huile) se déplaçant dans l’air, nous pouvons modéliser cette force avec l’équation suivante :

Illustration : Rhett Allain