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DINÁMICA DE UNA PARTÍCULA CARGADA EN UN CAMPO ELÉCTRICO UNIFORME (C=2,75) A. D. Diaz T. ID. 000264741 a, J. F. Mesa O. ID. 000260180 b L. Z. Arbeláez A. ID. 000270770 c J. A. Gómez M. ID. 000294160 d a,b,c,d Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín, Colombia FORMATO (0,35) RESUMEN (0,4) Las interacciones de los electrones que están presentes en la materia son las responsables de muchos fenómenos que ocurren en la vida cotidiana y la dinámica de estas partículas cargadas es lo que nos permite conceptualizar la electrización, campo eléctrico, fuerza eléctrica, conducción. Los tubos de rayos catódicos son útiles para observar y analizar el movimiento de los electrones. En el informe se describe como por efecto termoiónico se desprende un electrón y se acelera con unas placas metálicas mediante una fuente de voltaje para comprobar cómo la dinámica de la partícula cargada entra en una región con campo eléctrico uniforme. Se comprueba el experimento de forma cualitativa al observar el movimiento del electrón que emite luz al colisionar con las partículas del gas y al final el campo eléctrico deflector desvía la trayectoria de la partícula describiendo una parábola. Palabras claves: Campo Eléctrico, Campo Eléctrico Uniforme, Electrones, Cátodos, Efecto Joule, transformación de calor por conducción, Equilibrio Electrostático, Potencial Eléctrico. 1. INTRODUCCIÓN incompleto 0,3 Hoy en día es necesario el movimiento de electrones por medio de campos eléctricos para muchas de las tareas básicas del hogar como: las estufas eléctricas, planchas, televisores, microondas, entre otros. En éste informe se presentará una de las aplicaciones de éste concepto que sería el tubo de rayos catódicos; se verá cómo por medio de una fuente de voltaje alterna se produce el efecto joule, con el cual se genera una transferencia de calor en el cátodo y se podrá observar el movimiento de los electrones. El descubrimiento de los rayos catódicos se produjo durante 1858 y 1859. Posteriormente, en 1897, se determinó la relación entre la carga y la masa de los rayos catódicos, midiendo cuánto se desvían por un campo eléctrico y la cantidad de energía que llevan. Luego, en 1875 se inventó el tubo de rayos catódicos, el cual se emplea en monitores, televisores y osciloscopios. 1 2. MODELO TEÓRICO (0,6) El tubo de rayos catódicos es un dispositivo de visualización que inventó Crookes (18321919) en 1875. Mediante emisión termoiónica una placa metálica caliente o cátodo emite electrones, que son acelerados por el campo eléctrico existente entre esa placa o cátodo (de carga negativa) y otra placa o ánodo (de carga positiva). El conjunto conforma un cañón de electrones y se obtiene un haz fino después de que éstos pasan por una ranura del ánodo. A partir de ahí los electrones entran en el tubo propiamente dicho y se les aplica, mediante un par de placas planas paralelas las cuales generan un campo electrico uniforme,unas generan un campo eléctrico vertical y otras un campo eléctrico horizontal. Finalmente, el haz de electrones incide sobre una pantalla fluorescente, donde produce un destello de una intensidad que depende de la del propio haz. Cada uno de los campos eléctricos aplicados, por ser perpendicular a la velocidad inicial de los electrones, produce una desviación del haz. Variando la intensidad de estos campos adecuadamente se puede conseguir la desviación que se desee, tanto vertical como horizontal. De este modo, se consigue que el haz pueda incidir a lo largo de la pantalla y proporcione a la misma puntos de intensidad luminosa variable. Velocidad con la que sale el electron del cátodo: Campo eléctrico: Velocidad en y: Voltaje por deflexión: 2 3. DESARROLLO EXPERIMENTAL (0,8) FALTA UN PARRAFO INICIAL Los materiales usados en el desarrollo de la práctica fueron: Los tubos de rayos catódicos El voltímetro La fuente de alimentación Se procedió a encender el voltímetro y a ajustarlo en el rango de corriente alterna, luego se ubicaron adecuadamente los cables en la fuente de alimentación con sus respectivos voltajes. El voltaje en el electrodo V1, se ubicó en 8 voltios. El voltaje V2 se tomó de 30 a 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 de V4 tiene un voltaje fijo de 300 V. Con un suave movimiento de la perilla, con el cual se midieron de a 3 mm en el cátodo, se tomaron los datos. 4. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN A continuación se presentan los resultados del procedimiento llevado a cabo en el laboratorio: Vd (V) 6,3 15,4 21,6 27,7 33,6 41,4 E (V/m) 504 1232 1728 2216 2688 3312 1,5*10^6 3,7*10^6 5,2*10^6 6,7*10^6 8,1*10^6 1,0*10^7 D (mm) 3 6 9 12 15 18 Va*D (vm) 1050 2100 3150 4200 5250 6300 Tabla 1. Dinámica de un electrón en un TRC para las distancias positivas Vd (V) -6,7 -12,9 -19,6 -25,8 -32,1 -38,3 E (V/m) -53,6 -1032 -1568 -2064 -2568 -3064 -1,6*10^6 -3,1*10^6 -9,5*10^6 -1,2*10^7 -1,5*10^7 -1,9*10^7 -3 -6 -9 -12 -15 -18 -2100 -3150 -4200 -5250 -6300 D (mm) Va*D (vm) -1050 Tabla 2. Dinámica de un electrón en un TRC para las distancias negativas 3 Vd Va*D 6,3 1050 15,4 2100 21,6 3150 27,7 4200 33,6 5250 41,4 6300 -6,7 -1050 -12,9 -2100 -19,6 -3150 -25,8 -4200 -32,1 -5250 -38,3 -6,300 Vd-Va*D y = 157,31x - 138,95 Va*D 8000 6000 4000 -50 -40 -30 -20 0 -10 0 -2000 Vd 2000 10 20 30 40 50 -4000 -6000 -8000 Gráfica 1. Vd-Va*D La prueba cuantitativa de la hipótesis se da en la ecuación de la pendiente que la gráfica de Vd–Va*D arroja. La ecuación para el voltaje acelerador que pasa a través de la separación entre las placas es: y = 157,31x – 138,95 4 Donde el coeficiente de Vd y la constante proporcionan el valor equivalente a Va*D. NO HAY ANÁLISIS DE RESULTADOS (0,0) 5. CONCLUSIÓN (0,3) El tubo de rayos catódicos permite y da la posibilidad de observar el comportamiento y el movimiento de los electrones a través de campos eléctricos uniformes. Esto hace posible su uso para la tecnología y las distintas aplicaciones que hacen posible el entretenimiento del ser humano como los televisores y los monitores. REFERENCIAS http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/electric/elefie.html http://www.fisicapractica.com/campo-electrico.php http://fisica-teleco.blogspot.com.co/ http://intercentres.edu.gva.es/iesleonardodavinci/Fisica/Campo-electrico/Electrico12.htm http://www.ecured.cu/Emisi%C3%B3n_termoi%C3%B3nica 5