INGENIERIA ELECTRÓNICA LABORATORIO DE FÍSICA MODERNA Grupo: 1-2
FÍSICA MODERNA
TEMA: CARGA ELEMENTAL DEL ELECTRÓN (MASA DEL ELECTRÓN). PRÁCTICA N° 2
TIEMPO: 2hr
FECHA
INTEGRANTES
06/04/17
Adrián Mendoza-
[email protected] (2) Freddy Jimenez –
[email protected] (2) Oscar Gordillo –
[email protected] [email protected] (1) Luis Piña - lpiñ
[email protected] (1)
FIRMA
RESPONSABLE: Ing. Fernando Guerrero
1. OBJETIVOS 1.1. Objetivo General:
Estudiar el movimiento de los rayos catódicos.
1.2. Objetivos Específicos:
Determinar la masa del electrón. Demostrar que los rayos catódicos son partículas y que tienen masa. Analizar los rayos catódicos en el campo magnético.
2. METODO
Demostración del docente de la utilización y manejo de instrumentos para desarrollar la práctica presente.
3. EQUIPO Y MATERIALES
Bobina de Helmholtz. Fuente de alimentación de las bobinas. Fuente de alimentación de las rejillas. Fuente de alimentación del ánodo. Fuente de alimentación del filamento. Tubo de rayos.
4. FUNDAMENTO TEORICO 4.1. CAMPO GRAVITACIONAL La producción de ondas electromagnéticas de extremada baja frecuencia (Extremely Low Frequency, E.L.F.) resultaba hace décadas -y resulta todavía hoy- inviable ya que requeriría la instalación de antenas emisoras gigantes, de diámetro equivalente a la longitud de onda de la radiación emitida, es decir, cientos de kilómetros de diámetro, inasumible en términos de coste, manejo y logística. La comunidad científica hace décadas que detectó una manera natural de generar ondas E.L.F.: utilizar la Ionosfera como una gran antena, mediante la modulación de las corrientes ionos feéricas a una frecuencia predeterminada. Hoy se habla entonces de generación de ondas E.L.F. por calentamiento modulado de la Ionosfera (Ionospheric modulated heating). De esta forma, el calentamiento localizado a nivel ionos feérico por inyección o impacto previo de radiación de alta frecuencia (y elevada potencia energética) modula la temperatura de los electrones de la capa D de la Ionosfera, induciendo dos fenómenos:
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1 = =6.67∗10−/= 2 Fuerza gravitacional =∗ 3
Fig.1. Diagrama en donde se extrajeron la fórmula de la fuerza gravitacional.
Sabiendo que Por lo tanto la
sería:
4.2 CARGAS ELECTRICAS
COULOMB
Fig.2. Representación de la ley de Coulomb para determinar la fuerza eléctrica.
4 = =9∗10/ ==∗ 65
Sabiendo que Por lo tanto la fuerza eléctrica es:
4.3 CAMPOS MAGNETICOS:
= ′ ′ 7 = ′ ′ 8 Entonces la Fuerza Magnética sería: ′ =∗ 9
Fig.3. Representación de la fuerza magnética mediante los campos magnéticos.
4.4 RAYOS CATODICOS:
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El primer experimento interesante que condujo a un modelo sobre la composición de los átomos, fue hecho por el físico inglés J. J. Thomson, entre los años 1898 a 1903, quién estudió la descarga eléctrica que se produce dentro de tubos al vacío parcial(algo de aire), llamados Tubos de rayos catódicos. El aire enrarecido sirve efectivamente para que, si alguna partícula pequeña se desplaza y choca una molécula de Nitrógeno u Oxígeno, se produzca una iluminación en la dirección del flujo de partículas de modo que pueda ser identificado. Thomson encontró que cuando un voltaje suficientemente alto (proveniente de una pila o bobina) era aplicado entre los electrodos como lo muestra la Figura, un rayo que el llamó rayos catódicos (porque comenzaba en el electrodo negativo de la pila), se producía. Este rayo viajaba hacia el electrodo (+) por lo que dedujo que se trataba de un flujo de partículas repelidas por el electrodo (-) que necesariamente significaba que eran partículas cargadas (-) atraídas por el electrodo (+) y que llamó desde entonces electrones e-
(a)
(b)
Gráfica4. (a) El experimento sobre la atracción de la carga e-. (b) o bien, se coloca además de la pi la con polos (+) y ( -), un imán.
=∗∗ 10 =∗ ∗ =1 11 =∗ ∗ = 12 =∗∗ . 13 =(⃗ ) 14 =(⃗ )+∗ 15
Por ende la fuerza magnética de Lorentz es:
Mientras que la fuerza electromagnética de Lorentz:
4.5 EL EXPERIMENTO DE THOMSON En los extremos de una ampolla de vidrio, en la que se ha hecho el vacío, se sitúan dos placas metálicas (electrodos, cátodo y ánodo). Si entre ellas se crea una diferencia de voltaje eléctrico suficientemente elevada, se produce una descarga. Si disponemos a lo largo del eje de la descarga una superficie de sulfuro de zinc, veremos que la superficie muestra un rayo luminoso (rayos catódicos). Este rayo está formado por partículas de carga negativa porque en presencia de un campo eléctrico, el rayo se desvía hacia el polo positivo (ánodo en la figura superior). Las partículas son los electrones que poseen una cierta masa y una carga negativa. Aplicando campos eléctricos y magnéticos a los rayos catódicos, Thomson fue capaz de medir la relación masa/carga del electrón 3
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Gráfica5. Experimento de J.J Thomson mediante rayos catódicos.
=→= í =í 16 = 17 2= = 1819 2 = 2 0 2 − =1. 6 10 || =3.747∗10 21 = 1 2|| 22 Energía:
Teniendo en cuenta que Si se relaciona Y si a ésta con la relaciona con el campo magnético resulta que:
4.5 BOBINA DE HELMHOLTZ
Gráfica5. Bobina de Helmholtz.
∗0. 7 15 = − − 23 =4∗10 =1 =130 2 24 4
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5. PROCEDIMIENTO Mediante el tubo de rayos catódicos se pudo visualizar el haz de electrones con el uso de la bobina de Helmholtz median te un campo magnético generado por los filamentos del tubo visibles que son aquellos que originan el haz de electrones. Al momento en que se aumentó la tensión y la corriente en la bobina de Helmholtz (Fotografia1) se puede apreciar los rayos catódicos que forman un haz de luz.
Fotografía1. Muestra la bobina de Helmholtz mediante la generación de un campo magnético.
Se dio cuenta que mientras se aumentaba la corriente, el ancho del haz de luz se hace más ancho provocando una deformación.
Fotografía2. Se puede observar no tan claramente el aparecimiento del haz de luz.
(a)
(b)
Fotografía3. (a)Se puede observar mucho más claramente el aparecimiento del haz de luz. (b)Se puede onservar claramente el aparecimiento del haz de luz.
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6. CÁLCULOS Y RESULTADOS 1 2 3
V 224.5 303.1 473
2R[m] 0.1 0.09 0.075
I[A] 1.05 1.71 2.41
Tabla1. Muestra los resultados obtenidos mediante la bobina de Helmholtz
La medida del diámetro o radio (Ro) de las bobinas de helmholtz es de 31cm=0.31 [m] Haciendo uso de (21) y (22) se obtiene:
|| =3.747∗10
21
= √ || 22 || =3.747∗10[0.05224.15.05]=3.0519∗10 224.5 =.∗− = 1 2|| = 0.105 3.02519∗10 050.57671∗10− =.∗− = 2 = 1.610−0.2∗224. || =3.747∗10[0.045303.11.71]=1.918∗10 303.1 =.∗− = 1 2|| = 0.0145 1.2918∗10 − − 1. 6 10 0 . 0 45 1. 2 493∗10 = 2 = 2∗303.1 =.∗− || =3.747∗10[0.03754732.41]=2.1699∗10 473 =.∗− = 1 2|| = 0.01375 2.12699∗10 − − 1. 6 10 0 . 0 375 1. 7 607∗10 = 2 = 2∗473 =.∗−
Para el caso 1:
Usando la ecuación (20)
Para el caso 2:
Usando la ecuación (20)
Para el caso 3:
Usando la ecuación (20)
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V
2R[m]
I[A]
1
224.5
0.1
1.05
2
303.1
0.09
1.71
3
473
0.075
2.41
B
m
.∗− .∗−− .∗− .∗− .∗− .∗
Tabla2. Muestra los resultados calculados del campo magnético asi como también de la masa del electrón en cada punto. 7
SIMULACIONES
En esta grafica podemos apreciar la amplitud de la onda con los valores de corriente de la tabla1.
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CONCLUSIONES
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Con el desarrollo de esta práctica se ha logrado observar que la luz tiene características ondulatorias ya que al compararle con una onda de agua, se observa que tiene características similares, pero como se ha visto en la teoría la luz no puede ser encasillada como onda ni como partícula ya que presenta características de ambos tipos. Con la realización de este experimento pudimos comprobar la demostración de la existencia de partículas cargadas negativamente, llamadas posteriormente electrones.
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BIBLIOGRAFIA
[1] Handbook of chemistry and physics. 23ª edición. CRC press. Boca Ratón, Estados Unidos. [2] Einstein, A. 1905. Zur Elektrodynamik bewegter Körper. Annalen der Physik. (Berna) IV. Folge. 17: 891-921 [3] Allaboutcircuitscom. (2017). Allaboutcircuitscom. Retrieved 25 January, 2017, fromhttp://www.allaboutcirc
uits.com/worksheets/basic-oscilloscope-operation/ [4] Handbook of chemistry and physics. 23ª edición. CRC press. Boca Ratón, Estados Unidos
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