Questionário Razão Carga Massa

[pic 1]

UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL

CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TECNOLOGIA

DISCIPLINA FIS0272A – FÍSICA MODERNA

PROFESSOR: GUILHERME JOSUÉ MACHADO

ALUNOS: Arthur Durli Farina, Larissa Corrêa Sartor, Natália Marques de Oliveira, Patricia Andréia Ferreira e Vinicius Angar

QUESTIONÁRIO SOBRE O EXPERIMENTO PARA DETERMINAÇÃO DA RAZÃO CARGA MASSA (q/m) DOS RAIOS CATÓDICOS

1. Descrever o equipamento utilizado em aula para determinar a razão q/m. Faça umdesenho esquemático representando o equipamento e suas respectivas partes, explicando o funcionamento e a importância das partes.

O objetivo do experimento realizado em sala de aula era a determinação da razão carga/massa, para isto foram utilizados os seguintes equipamentos: uma fonte de tensão, uma fonte de corrente, bobinas de Helmholtz, um tubo de raios catódicos e uma régua espelhada ao fundo do tubo.

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A – Fonte de alimentação para acelerar os elétrons

B – Tubo de raios catódicos

C – Fonte de alimentação para as bobinas

D – Multímetro para medir a tensão de aceleração

E – Multímetro para medir a corrente nas bobinas de Helmholtz

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1 – Tubo de raios catódicos

2 – Bobinas de Helmholtz[pic 4][pic 5]

3 – Suporte

4 – Dispositivo de medida (régua)

1. Descrever a metodologia utilizada para a determinação da razão q/m.

Antes de iniciar as medições, a bobina foi coberta por uma manta escura devido à claridade da sala de aula. Também foi necessário que as luzes fossem apagadas para facilitar a medição. Posicionou-se os equipamentos necessários para o experimento, todos inicialmente desligados. Conectou-se a fonte de tensão, com o voltímetro e o amperímetro, para efetuar as medidas da tensão aplicada aos eletrodos do canhão de elétrons, e as medidas da corrente aplicada à Bobina de Helmholtz, conforme a Figura 1.

As fontes se encontravam inicialmente zeradas para não afetar a leitura das medições. Aplicou-se uma tensão aos eletrodos e quando o cátodo se aqueceu e o feixe de elétrons se estabilizou, pôde-se começar a variar a tensão entre o cátodo e o ânodo e, assim, aplicar correntes nas bobinas de Helmholtz.

Pôde-se observar o feixe de elétrons se formar e à medida que a corrente sofria variações, o feixe pôde ser defletido. Anotou-se os valores da tensão aplicada aos eletrodos e da corrente circulante pela bobina de Helmholtz. Após foi medido o raio da trajetória circular descrita pelo feixe de elétrons para cada valor da tensão aplicada e da corrente circulante pela bobina com o auxílio de uma régua fixada, que refletia sobre o feixe, conforme a Figura 2.

Para encontrar o raio do feixe, efetuou-se as medidas dos raios tomando os pontos à direita e a esquerda do centro da trajetória e usou-se o valor médio dos mesmos.  Foi construída uma tabela com os valores das tensões, correntes e raios encontrados. Com estes dados, foi possível calcular o campo magnético e a razão carga/massa para cada situação.

1. No experimento como é obtido o feixe de raios catódicos?

Com o aquecimento do filamento é produzido um feixe de elétrons, estes são acelerados por uma diferença de potencial entre o cátodo e o ânodo. Esse conjunto está dentro da ampola contendo o gás a baixa pressão. Os elétrons colidem com os átomos do gás ionizando algumas destas partículas induzindo o efeito de fluorescência no interior da ampola. Esse efeito produz uma trajetória circular ou helicoidal, e o raio dessa trajetória depende da diferença de potencial e intensidade do campo magnético devido à força de Lorentz.

Este princípio é a base técnica de televisores e outros aparelhos, como osciloscópios e telas de radar.

1. No experimento utilizado, como determinamos a velocidade das partículas carregadas?

O campo magnético gerado pelas bobinas de Helmholtz faz com que cada elétron individual do feixe seja defletido tal que:

(1)[pic 6]

        Onde:  e m correspondem à carga e à massa do elétron movendo-se com velocidade v, B é a intensidade do campo magnético aplicado, e R é o raio da trajetória descrita pelo feixe.[pic 7]

        Como os elétrons possuem uma velocidade determinada pela diferença de potencial V entre o cátodo e o ânodo, podemos escrever que:

(2)[pic 8]

        Combinando as Equações (1) e (2) vemos que a razão e/m pode ser determinada a partir de:

        (3)[pic 9]

        Nesta expressão, as quantidades V (potencial de aceleração dos elétrons) e R (raio da trajetória) são medidas diretamente, enquanto a intensidade do campo magnético B pode ser determinada a partir da corrente elétrica I que alimenta as bobinas de Helmholtz. Mais especificamente, o campo magnético B produzido por uma única espira circular de raio r − ao longo do seu eixo principal, a uma distância x − quando por ela flui uma corrente I é dado por:

     (4)[pic 10]

Onde:  é uma constante universal e x é a distância do ponto de medição e o centro da espira. De posse do valor carga/massa, podemos calcular a velocidade u da partícula através da seguinte fórmula:[pic 11]

            (5)[pic 12]

         (6)[pic 13]

1. No experimento realizado, quais variáveis foram manipuladas e qual a dependência dessas variáveis.

As variáveis que foram manipuladas no experimento foram a tensão (V) aplicada no gerador de feixe de elétrons e a corrente (I) nas espiras para gerar campo magnético.  A corrente quando alterada modifica o campo magnético, conforme explicitado acima. Já quando alteramos a tensão, influenciamos diretamente no valor da velocidade das partículas. Em suma, se qualquer uma das duas variáveis for modificada, modificaremos também o valor da razão q/m.