ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO LABORATORIO PRESENCIAL 1. Coordinación Curso Agosto de 2016
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- Raquel Núñez Sánchez
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2 ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO LABORATORIO PRESENCIAL 1 Coordinación Curso Agosto de 2016
3 TEMA : MOVIMIENTO DE ELECTRONES EN UN CAMPO ELÉCTRICO UNIFORME Hipótesis de trabajo: Siempre que un electrón entre a un campo eléctrico uniforme con velocidad perpendicular al campo, describe una trayectoria parabólica. Preguntas operativas: De dónde y cómo se obtiene los electrones? Cómo se aceleran dichos electrones? Cómo se genera un campo eléctrico uniforme? Cómo se visualiza el movimiento de un electrón? Cómo es prueba cualitativa y cuantitativamente la hipótesis?
4 TUBO DE RAYOS CATÓDICOS (TRC) EQUIPO Las preguntas operativas 1, 2, 3 y 4 son resueltas si se escoge un Tubo de Rayos Catódicos, el cual es un tubo de vidrio y cuya estructura se puede describir definiendo cuatro zonas fundamentales (figura 1): Zona de calentamiento Zona de aceleración Zona de visualización Zona de deflexión
5 TUBO DE RAYOS CATÓDICOS (TRC) ZONA DE CALENTAMIENTO ZONA DEFLECTORA ZONA DE VISUALIZACION ZONA DE ACELERACION Figura 1. Visualización de la Estructura del tubo por zonas Fuente: Fotografía tomada por Johnson Garzón R Para el funcionamiento delas tres primeras Zonas, se requieren fuentes de voltaje, (ver figura 2)
6 FUENTES DEL (TRC) Figura 2. Fuentes de voltaje para el tubo de rayos catódicos Fuente: Fotografía tomada por Johnson Garzón R
7 TUBO DE RAYOS CATÓDICOS (TRC) Figura 3. Elementos del tubo que van conectados a las fuentes de voltaje Fuente: Fotografía tomada por Johnson Garzón R
8 La Zona de calentamiento Zona de calentamiento, compuesta por una fuente de voltaje alterno (6,3 V), un filamento de resistencia eléctrica pequeña. La corriente alterna por efecto Joule calienta el filamento, el cual se encuentra cerca del un material metálico que se denomina cátodo, el filamento caliente transfiere calor al cátodo y por efecto termoiónico, del cátodo se desprenden electrones. Figura 4. Elementos de la zona de calentamiento Fuente: Fotografía tomada por Johnson Garzón R
9 La Zona aceleradora Se compone de una fuente de voltaje d.c. la cual se conecta a través de cables conductores a dos placas planas paralelas, denominadas cátodo y ánodo. El cátodo se pone en contacto con el borne negativo y el ánodo se pone en contacto con el borne positivo de la fuente. El cátodo se carga por contacto y el ánodo por inducción, generando un campo eléctrico Uniforme entre ellas. Figura 5. Elementos de la zona de aceleración Fuente: Fotografía tomada por Johnson Garzón R
10 La Zona aceleradora El electrón se ve obligado a moverse en dirección contraria al campo acelerador (entre cátodo y ánodo), como el ánodo tiene un orificio ( como se ve en la figura 5), el electrón puede salir por éste con una velocidad final (v). Se modela el sistema conformado por placas cargadas y electrones como un sistema conservativo, y se desprecian efectos gravitacionales sobre los electrones. Por tanto, se puede decir que: Donde, Ue, es la energía potencial eléctrica y Ek es la energía cinética del electrón entre cátodo y ánodo
11 La Zona aceleradora Figura 6. Esquemático de la conexión para generar el campo eléctrico acelerador
12 La Zona aceleradora Aunque los electrones estén acelerados y su rapidez de llegada al ánodo (velocidad final (v), obtenida por la ecuación 3). La probabilidad de que el electrón se haya desprendido justo al frente del orifico es muy baja. Por tanto, se requiere de una lente electrostática. La cual se logra conectando dos fuentes de voltaje d.c. (las cuales se muestran en la figura 7), a los ánodos auxiliares. Figura 7. Enfoque de los electrones
13 La Zona de visualización El elemento fundamental de ésta zona, es el recubrimiento interno de fósforo que tiene la pantalla del Tubo. De tal manera, que cuando los electrones que salen del ánodo a alta velocidad colisionan con los átomos de fosforo, excitan los electrones de éste y el fósforo emite luz (fotones), formando un punto verde o azul en la pantalla, dependiendo del tipo de fósforo Figura 8. visualizando el punto de luz en pantalla Fuente propia
14 La Zona de deflexión El TRC, cuenta con otro par de placas planas paralelas, las cuales al estar cargadas, generan un campo eléctrico uniforme cuya dirección será perpendicular a la dirección en que vienen acelerados los electrones que salen por el ánodo, (ver figura 9) Figura 9. Fuente de volteje d.c. para generar el campo eléctrico deflector
15 La Zona de deflectora Las ecuaciones dinámica en esta zona por el método vectorial son: F = m a) (4) Asumiendo que la única fuerza que actúa es eléctrica F = F e = qe = m a (5) por tanto, a y = e m E y (6) Figura 10. Diagrama esquemático para generar el campo eléctrico uniforme que deflecta la trayectoria de los electrones
16 Relación entre variables dinámicas y dimensiones del tubo como, E = V d d, (7) Entonces, v y = e V d md l v x (8) Componente y de la velocidad del electrón al salir del campo deflector, Donde, (l), es la longitud de las placas, Vd, es la diferencia de potencial ente las placas deflectoras y Vx, es la velocidad con la cual entra el electrón al campo deflector y está dada por la ecuación 3 V Figura 7 Figura 11. Relación entre el movimiento parabólico y la marca de la deflexión en pantalla
17 La Zona de deflexión La dirección del vector velocidad final permite definir que tan θ = v y v x (9) Usando lo anterior, se llega a una ecuación teórica que relaciona el voltaje acelerador (V a ) (entre cátodo y ánodo), el voltaje deflector (V d ), (entre las placas deflectoras), y las dimensiones geométricas del tubo a saber: Sin despreciar ΔL. V a D = Ll 2d l (1 + V 2L d (10) Despreciando ΔL. V a D = Ll 2d V d (11)
18 PRUEBA CUALITATIVA DE LA HIPÓTESIS
19 Vd (V) E (V/m) V y (m/s) PRUEBA CUANTITATIVA DE LA HIPÓTESIS Recolectar los datos que se piden en la tabla 1. Tabla 1 Dinámica de un electrón en un TRC Va (v) = ; l (cm) = ; d (cm) = ; L ( )= D (mm) Va*D (vm) Voltaje acelerador (Va); longitud de placas(l); Deflexión medida en la pantalla (D); Distancia entre el borde final de las placas y la pantalla (L)
20 EL OSCILOSCOPIO DE TRC
21 EL OSCILOSCOPIO DE TRC
22 EL OSCILOSCOPIO DE TRC
23 EL OSCILOSCOPIO DE TRC
24 MUCHAS GRACIAS!
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d 0,42 0,42cos 1,26 10 m
0. Una partícula con carga y masa m penetra con una elocidad en una zona donde hay un campo magnético uniforme. Calcular: a) la fuerza ue actúa sobre la partícula y el trabajo efectuado por dicha fuerza.
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