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전자의 전하를 측정하는 가장 직접적인 방법은 다른 전하가 전자에 미치는 힘을 측정하는 것이다. 다른 전하가 2개의 평행한 도체판 위에 적당하게 분포해 있을 경우, 힘은 측정하려고 하는 전하에 비례하며 동시에 2개의 판 사이의 중앙 부근에서는 어떤 장소에서도 같은 크기와 방향을 가진다. 따라서 R. A. 밀리컨이 사용한 장치는 작은 기름방울의 전하를 측정하는 데 적합하다(→ 밀리컨). 2개의 황동 원판이 1만V의 전지에 의해서 충전되는데, 원판 사이의 전기장은 이 전위차를 원판 사이의 거리로 나눈 것과 같다.

전기장의 방향은 스위치에 의해서 역전될 수 있기 때문에, 하전된 기름방울을 중력의 반대로 상승시키거나 자유낙하하는 것보다 더 빨리 낙하시킬 수 있다. 또한 원판을 단락함으로써 전기장을 없앨 수도 있다. 원판은 진공으로 된 통 속에 밀폐되어 있고, 통은 일정한 온도를 유지하기 위해서 기름 속에 잠겨 있다. 분무기로 원판 위쪽의 공간 내에 기름을 집어넣으면 기름방울의 안개가 형성된다. 그중에서 몇 개의 방울이 위의 원판의 작은 구멍을 통해서 천천히 낙하하여 전기장으로 들어온다. 이 기름방울들은 강한 아크등의 빛을 받기 때문에, 원판 중앙부에 조준된 망원경 속에서 별이 빛나는 것처럼 보인다. 원판을 단락하면 전기장은 사라지고 모든 기름방울은 중력에 의해서 낙하하는데, 잔류기체가 점성유체로서 작용하기 때문에 기름입자는 각각의 무게에 비례하는 속도로 낙하한다.

전기장을 걸어주면 음이나 양 한쪽의 전하를 가진 것은 낙하속도가 느려지거나 상승하는데, 그와 반대의 전하를 가진 것은 낙하속도가 빨라진다. 무거운 기름방울부터 차례대로 시야 밖으로 떨어져가기 때문에, 마지막에 남은 단 하나의 입자가 전기장에 의한 상승과 중력에 의한 낙하를 되풀이하는 것을 관찰할 수 있다. 더 나아가서 그 상이 망원경의 접안 렌즈 속에 있는 2개의 십자선 사이를 이동하는 데 걸리는 시간을 측정하여, 그것이 상승하거나 낙하하는 속도를 직접 결정할 수 있다.

이 속도들로부터 전하의 크기를 계산하는 자료가 얻어졌으며, 모든 전하는 전자의 기본전하량의 정수배라는 것이 직접 증명되었다. 또한 기름방울 실험은 전자의 실제 전하량을 직접 측정하는 데도 적합하다. 이를 위해서는 기름방울의 운동에 대한 공기의 점성저항을 결정하는 방법이 필요하다. 점성매질 속에서 공의 낙하속도에 관한 법칙은 1850년 G. G. 스토크스에 의해서 유도되었다(→ 스토크스의 법칙). 이 법칙에 의하면 기름방울의 낙하속도는 그 반지름·밀도·매질인 기체의 점성도에 의해서 계산할 수 있다.

그러므로 낙하속도, 기름의 밀도, 공기의 점성도가 밝혀지면 기름방울의 반지름이 결정되고, 이것으로부터 기름방울이 상승하고 있을 때의 저항의 크기가 결정된다. 여러 가지 방법에 의해서 현재까지 얻어진 가장 정확한 전자의 전하값은 4.80325×10^－10esu(정전기 단위), 즉 1.60219×10^－19C이다.