Download dinámica de un electrón en un campo eléctrico uniforme

Informe de Laboratorio de Electricidad y Magnetismo
ESCUELA DE INGENIERIAS
Facultad de Ingeniería Mecánica
DINÁMICA DE UN ELECTRÓN EN UN CAMPO ELÉCTRICO
UNIFORME
Andrés Ospina1, Ricardo Iriarte2, Mateo Muñoz3, Jesús Andrés Ruiz4
Universidad Pontificia Bolivariana. Medellín, Colombia
0002619301
0002667012
0002622373
0002704444
Contacto: [email protected], [email protected], [email protected],
[email protected].
RESUMEN
Observamos el comportamiento de una partícula cargada al entrar en una región donde hay un
campo eléctrico. Dicha partícula experimenta una fuerza igual al producto de su carga por la
intensidad del campo eléctrico.

Si la carga es positiva experimenta una fuerza en el sentido del campo

Si la carga es negativa experimenta una fuerza en sentido contrario al campo
Si el campo es uniforme la fuerza es constante y también lo es la aceleración.
Palabras Clave: campo eléctrico, electrón, efecto termoiónico, ánodo, cátodo
ABSTRACT
We observe the behavior of a charged particle entering in a region where an electric field is. That
particle experiences a force equal to the product of its load by the electric field intensity.

If the charge is positive experiences a force in the direction of the field

If the charge is negative experiences a force in the opposite direction to the field
If the field is uniform the force is constant and also the acceleration.
Keywords: electric field, electron, thermionic effect, anode, cathode
1
Dinámica de un electrón en un campo eléctrico
uniforme
Ospina, Iriarte, Muñoz, Ruiz.
1. INTRODUCCIÓN
En esta práctica analizaremos cómo se mueven los electrones dentro de un campo eléctrico
uniforme. Probaremos la hipótesis de que el electrón experimenta una aceleración descendente
(opuesta a E) y su movimiento es parabólico mientras está entre las placas. De manera específica
Conoceremos los elementos básicos de un tubo de rayos catódicos y su funcionamiento.
Observaremos y comprobaremos la aceleración y deflexión de electrones en un campo eléctrico.
Asimismo, calcularemos el campo eléctrico generado por dos placas cargadas e iniciaremos un
acercamiento al osciloscopio como instrumento de medición. Finalmente, con la ayuda de un
Tubo de Rayos catódicos (TRC) y con fuentes de alimentación, modelaremos el movimiento del
electrón y para poder visualizar su trayectoria, se debe hacer mover dentro de un gas, da tal
manera que las colisiones del electrón en movimiento con el gas, hagan que el gas emita luz
haciendo visible la trayectoria del electrón.
2. MATERIALES Y EQUIPOS
 Tubo de rayos catódicos “Tubo de Braun” (referencia No 06986.01)
 Fuente regulada de alimentación para el tubo, de 0 a 300V (referencia No 117252.93)
 Soporte en A con varilla cuadrada y doble nuez
 Osciloscopio
 Soporte para el tubo
 Fuente para alimentar las placas deflectoras (referencia No 06986.93)
 Cables conectores
 Generador de Onda
3. MODELO TEÓRICO
Movimiento De Una Partícula Cargada En Un Campo Eléctrico Uniforme
Un campo eléctrico es uniforme cuando el campo posee la misma magnitud, dirección y sentido
en todos los puntos. Para lograr un campo que reúna estas características se consideran dos placas
planas paralelas, con cargas iguales pero de signos opuestos colocadas a cierta distancia de
separación, la cual debe ser pequeña comparadas con las dimensiones de las placas.
Cuando una partícula cargada está en una región donde hay un campo eléctrico experimenta una
fuerza igual al producto de su carga por la intensidad del campo eléctrico.
2
Informe de Laboratorio de Electricidad y Magnetismo
ESCUELA DE INGENIERIAS
Facultad de Ingeniería Mecánica
•Si
la
carga
es
positiva
experimenta
una
fuerza
en
el
sentido
del
campo
•Si la carga es negativa experimenta una fuerza en sentido contrario al campo
Si el campo es uniforme la fuerza es constante y también lo es la aceleración, aplicando las
ecuaciones del movimiento rectilíneo uniformemente acelerado podemos obtener la velocidad de
la partícula en cualquier instante o después de haberse desplazado una determinada distancia.
4. DESARROLLO EXPERIMENTAL
4.1 Desprender electrones del material utilizando el efecto termoiónico, el cual se da
calentando el material a través de una corriente eléctrica inducida por un conductor mediante
conducción.
4.2 Una vez que el electrón ha sido desprendido del material por efecto termoiónico se debe
proceder a acelerarlo, para ello se usa un campo eléctrico, el cual se genera al cargar un par de
placas planas y paralelas. Para cargar las placas como son metálicas, se usan una fuente de
voltaje DC.
4.3 Para poder visualizar el movimiento del electrón, se debe hacer mover dentro de un gas,
de tal manera que las colisiones del electrón en movimiento con el gas, hagan que el gas
emita luz haciendo visible la trayectoria del electrón.
MONTAJE:
B
C
D
A
Figura 1. Montaje Completo: A) fuente múltiple, B)
soporte para el tubo, C) tubo de Braun y D) fuente de desviación
Los voltajes para el funcionamiento del tubo se toman de la fuente de alimentación múltiple (A).
El voltaje en el electrodo auxiliar V1, debe ser de 8 a 10 voltios y se selecciona de modo que
resulte un buen efecto luminoso. El voltaje V2 apropiado, en el electrodo auxiliar, está entre 30 y
3
Ospina, Iriarte, Muñoz, Ruiz.
Dinámica de un electrón en un campo eléctrico
uniforme
50 voltios. El voltaje de aceleración, se obtiene conectando en serie las salidas de la fuente V3
entre 0 y 300 V, y la fuente V4 tiene un voltaje fijo de 300 V, (ver figura 4.).
Fuente
Múltiple
A
V1
Soporte del
tubo B
Figura
V3 V4
2.
Montaje
Completo:
Esquema
de
las
conexiones eléctricas
5. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN
Tabla 1 Dinámica de un electrón en un TRC
Va (v)
Vd (V)
380
l (m) 0,02
d (m) 0,0125
6,03
14
19,5
30
34
42,7
-4,4
482,4
1120
1560
2400
2720
3416
-352
-9,8
L(m)
0,1
-17,9
-23
-31,7
-37,2
-784 -1432 -1840 -2536 -2976
Vy (m/s) 7E+10 2E+11 2E+11 4E+11 4E+11 5E+11 -5E+10
1E+11 2E+11 3E+11 4E+11 5E+11
3
6
9
12
15
18
-3
-6
-9
-12
-15
-18
D (mm)
Va*D
1140 2280 3420 4560 5700 6840 -1140 -2280 -3420 -4560 -5700 -6840
(Vm)
e (C)
1,6E-09
m (Kg) 9,1E-31
Vx (m/s) 1,2E+12
E (V/m)
Donde,
Va: voltaje acelerador l: es la longitud de las placas deflectoras d: es la separación entre dichas
placas L: es la distancia desde las placas a la pantalla del Tubo.
Si ahora se coloca como voltaje acelerador un valor 50 v mayor que el anterior, y se quiere que
el electrón se deflecte 9 mm en la pantalla, ¿cómo debe ser ahora el campo eléctrico deflector:
mayor, menor o igual? Explique el porqué de
su respuesta. Luego verifíquela
experimentalmente. Rta/ para este caso el campo eléctrico deflector debe ser igual, pues el voltaje
acelerador no influye en el valor del campo eléctrico deflector.
4
Informe de Laboratorio de Electricidad y Magnetismo
ESCUELA DE INGENIERIAS
Facultad de Ingeniería Mecánica
PRUEBA DE LA HIPÓTESIS:
¿Cómo se prueba la hipótesis cualitativamente?
De manera cualitativa se puede probar
mediante la deflexión del electrón (D).
¿Cómo se prueba cuantitativamente? De manera cuantitativa se puede probar midiendo el
voltaje.
APLICACIONES:
¿Qué botones del osciloscopio y del tubo de rayos catódicos desempeñan idénticas
funciones? Cañón de electrones y la pantalla.
¿Qué otras aplicaciones tiene este tema de la deflexión de electrones en campos eléctricos
uniformes?
Los experimentos de dispersión de partículas cargadas contribuyen a conocer detalles y
conceptos asociados a la estructura interna de la materia.
6. CONCLUSIONES
 Los electrones realizan un movimiento parabólico al pasar entre dos placas, lo que se
logro dimensionar en la prueba experimental.
 La curvatura de la parábola realizada por el electrón, es proporcional al voltaje inducido.
 El efecto lumínico solo será visible hasta que el sistema entre en equilibrio. Ya que la
naturaleza siempre busca el equilibrio.
 El voltaje acelerador no influye en la deflexión del electrón.
7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
 Serway. Física. Editorial McGraw-Hill (1992)
 Eisberg, Lerner. Física. Fundamentos y Aplicaciones. Editorial McGraw-Hill (1983).
 Sears, Zemansky, Young. Física Universitaria. Editorial Fondo Educativo Interamericano
(1986).
 Melissinos A. C., Lobkowicz F. Physics for Scientist and Engineers. W. B. Saunders &
Co (1975).
5