Universidad Nacional de Trujillo Septiembre 2014

ESTUDIO DESCRIPTIVO DE LAS DESCARGAS ELÉCTRICAS EN TUBO CON AIRE A DIFERENTE PRESIÓN.

De la Cruz López, Luis A.Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Laboratorio de Óptica y Láser

Universidad Nacional de Trujillo, Av. Juan Pablo II S/N, Trujillo, La Libertad, Perú

RESUMEN

En esta práctica experimental se hace un estudio descriptivo de las descargas eléctricas en un tubo de vidrio con un determinado gas (aire) generando vacío dentro de este. Para esta labor se utiliza técnicas de vacío mediante una bomba que logra esto, se emplea también el conocido carrete de Ruhmkorff, el cual permite obtener grandes cantidades de diferencia de potencial partiendo de otras pequeñas, así mismo se emplea el tubo de Crookes, el cual ayuda a percibir el sentido del flujo de electrones generados por el carrete de Ruhmkorff (debido a que el sentido del interruptor cambia). La información recopilada es explicada detalladamente más adelante.

Cabe mencionar también que el descubrimiento de que estos rayos están constituidos por partículas cargadas fue la labor de J. J. Thomson quien, antes de deducir la naturaleza elemental, necesitó demostrar que su masa era mucho menor que la de los átomos que las contenían.

Palabras Clave: Descargas eléctricas en el vacío, tubo de crookes.

INTRODUCCIÓN

Concepto de descarga eléctrica en gases:

Una descarga eléctrica en un medio gaseoso, es un fenómeno en el que un gas, que normalmente, no conduce la electricidad, empieza a hacerlo debido a la ionización de sus átomos, como consecuencia de la influencia de una fuente energética (de calor, de radiación o de un campo eléctrico, que provoca una diferencia de potencial entre los electrodos entre los que se sitúa el gas). La conducción eléctrica a través de este gas ionizado (en adelante, plasma) no sigue la ley de Ohm, sino que se rige por los procesos físicos elementales que se dan entre las partículas cargadas (electrones, iones, átomos y moléculas excitadas) transportadas en el plasma y producidas y absorbidas en los electrodos. [1]

Tubo de descargas

Sirve para la observación de los fenómenos presentes durante le descarga eléctrica de

gases en función de la presión y del tipo de gas como, luminiscencia catódica, columnas positivas, rayos canales. Los extremos del tubo de descarga están provistos de una pantalla fluorescente. [2]

Figura 1. Tubo de rayos catódicos. Los electrones emitidos por el cátodo (-) son acelerados por el campo eléctrico hacia el ánodo (+) que deja pasar algunos por un orificio central. La trayectoria de este haz es afectada por la acción de un campo magnético y uno eléctrico. J.J. Thomson buscaba cancelar esos efectos para determinar la velocidad de los electrones. 

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Un ejemplo claro de estos materiales es el conocido tubo de Crookes o también llamado “Cruz de Malta”. La cual indica en qué dirección sale el flujo de electrones (sea de ánodo (+) a cátodo (-) y viceversa) provocada por la diferencia de potencia entrante.

Consiste en un tubo de vacío por el cual circulan una serie de gases, que al aplicarles electricidad adquieren fluorescencia, de ahí que sean llamados fluorescentes. A partir de este experimento (1895) Crookes dedujo que dicha fluorescencia se debe a rayos catódicos, que consisten en electrones en movimiento, y, por tanto, también descubrió la presencia de electrones en los átomos. [3]

Rayos catódicos

A mediados del siglo XIX, los científicos comenzaron a estudiar las descargas eléctricas a través de tubos parcialmente evacuados (tubos a los que se les había extraído por bombeo casi todo el aire). Un alto voltaje produce radiación dentro del tubo. Esta radiación recibió el nombre de rayos catódicos porque se originaba en el electrodo negativo, o cátodo. Aunque los rayos en sí son invisibles, su movimiento puede detectarse porque hacen que ciertos materiales, incluido el vidrio, despidan rayos de luz fluorescente.

En la ausencia de campos magnéticos o eléctricos, los rayos catódicos viajan en línea recta. Sin embargo, los campos magnéticos y eléctricos "doblan" los rayos, es decir, los desvían tal como se esperaría que lo hicieran partículas con carga negativa. Más aún, una placa metálica expuesta a rayos catódicos adquiere una carga negativa. Estas observaciones de las propiedades de los rayos catódicos

sugirieron a los científicos que la radiación consiste en una corriente de partículas con carga negativa, que ahora llamamos electrones.

Además, se descubrió que los rayos catódicos emitidos por cátodos de diferentes materiales eran iguales. Todas estas observaciones dieron pie a la conclusión de que los electrones son un componente fundamental de la materia. [4]

Algunas propiedades de este fenómeno son:

Las lámparas de descarga se pueden clasificar según el gas utilizado o la presión a la que este se encuentre (alta o baja presión). Las propiedades varían mucho de unas a otras y esto las hace adecuadas para usos muy diversos.

Baja presión: 1. Lámparas fluorescentes

Alta presión:2. Lámparas de vapor de

mercurio a alta presión 3. Lámparas de luz de mezcla 4. Lámparas con halogenuros

metálicos Lámparas de vapor de sodio:

1. Lámparas de vapor de sodio a baja presión.

2. Lámparas de vapor de sodio a alta presión. [5]

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MATERIALES Y MÉTODOS

Para esta práctica experimental fueron necesarias:

1 Carrete de Ruhmkorff. 1 fuente que convierta la corriente

alterna en continua. Bomba de vacío. 1 medidor de presión (± 20 torr). 1 tuvo de descarga. 1 Cruz de malta.

Todos estos materiales van unidos, tal y como se muestra en la siguiente imagen.

Figura 1- montaje experimental

PARTE 1: DESCARGAS ELECTRICAS EN EL CARRETE DE RUHMKORFF.

En primer lugar teniendo la fuente de alimentación, la convierte la corriente alterna en continua, se procede a conectar el carrete de Ruhmkorff e iniciar su funcionamiento moviendo el interruptor de encendido y/o apagado.

Luego se procede a observar las descargas eléctricas producidas por cátodo (de carga (-) la cual se representa como una punta en la figura 2), la cuales se dirigen hacia el ánodo (de carga (+) y es representada por el disco circula d la figura 2). En esta paso se tiene que encontrar la distancia a la cual el cátodo deja de emitir rayos de descarga eléctrica.

Figura 2- Descargas eléctricas producidas del cátodo hacia el ánodo.

Una vez obtenidas las descargas y haber observado el fenómeno producido, se procede a encontrar la distancia a la cual deja de emitir estas descargas.

PARTE 2: VER EL SENTIDO DEL FLUJO DE ELECTRONES EN EL CARRETE DE RUHMKORFF MEDIANTE LA CRUZ DE MALTA.

Se hace una conexión en serie del carrete de Ruhmkorff y la Cruz de Malta con la fuente apagada, luego de haber conectado se enciende la fuente y se observa el fenómeno.

Este proceso se hace tanto cuando el interruptor gira hacia la derecha como hacia la izquierda.

PARTE 3: DESCARGAS ELÉCTRICAS EN UN TUBO CON AIRE A BAJA PRESIÓN.

Teniendo en cuenta la figura 1, la cual muestra el esquema experimental, y teniendo la parte 1 y la parte 2, se procede a conectar las válvulas al tubo de descarga.

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Se procede a generar vacío mediante la bomba de vacío, la cual va desde 20 hasta 760 torr, la generación de vacío se hace con mucho cuidado debido a que se tienen que se tienen que manipular llaves de entrada y salida de aire, que de no hacerse correctamente, puede malograrse la bomba.

Una vez generado vacío en el tubo de descarga se enciende la fuente y se observa que sucede en dicho tubo.

Luego se abre la llave y se deja entrar aire para ver a que presión desaparece las descargas generadas.

ANALISIS

PARTE 1: DESCARGAS ELECTRICAS EN EL CARRETE DE RUHMKORFF.

Se pudo observar que los rayos emitidos desde el cátodo hacia el ánodo a una distancia muy pequeña se emiten descargas eléctricas de manera lineal, mientras que conforme se van alejando estas descargas se vuelven más inestables (son lanzados de manera no lineal), conforme a lo que se muestra en la figura 3.

Figura 3- diferentes distancias de las descargas, a la derecha se muestra las descargas de manera lineal, mientras que a la izquierda se muestran inestables.

Además se encontró que en una distancia de 3.8 cm de distancia ya no se producen más descargas eléctricas.

PARTE 2: VER EL SENTIDO DEL FLUJO DE ELECTRONES EN EL CARRETE DE RUHMKORFF MEDIANTE EL TUBO DE CROOKES.

Cuando encendemos la fuente de corriente continua y activando al carrete de Ruhmkorff, el cual genera alto voltaje, y estando conectado al Tubo de Crookes (Cruz de Malta), se puede observar en qué sentido se mueven los electrones generados por dicha diferencia de potencial, y teniendo en cuenta como están colocados los electrodos (se sabe así cuál es el ánodo y cuál es el cátodo).

Figura 4- Se muestran las dos maneras posibles las los electrones pueden salir dela ánodo al cátodo y viceversa.

La formación de la imagen de la cruz se debe a que algunos de los electrones que salen del cátodo chocan con el metal en forma de cruz, al no pasar a travez de este, se forma dicha sombra.

PARTE 3: DESCARGAS ELÉCTRICAS EN UN TUBO CON AIRE A BAJA PRESIÓN.

Después de ave realizado las partes 1 y 2, se procede con esta parte final.

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Cuando se enciende la bomba de vacío y se procede a generar vacío en el tubo, lo ideal es sacar todo el aire posible que se encuentra en el tubo de rayos catódicos, pero al final quedan unas cuantas partículas de aire en el tubo.

Luego al encender la fuente de CC, se observa que los rayos obtenidos en el tubo a una presión de 20 torr aproximadamente son de un color violeta y se ve de la siguiente manera.

Figura 5- Has de luz violeta que se genera en el tubo de descarga.

En la figura 5 se observa que los electrones que salen de cátodo no llegan a impactar totalmente con el ánodo, sino que se forma un pequeño vacío oscuro.

Figura 6- Espacios producidos por los rayos catódicos.

Se puede observar que cuanto mayor es el área de incidencia de los rayos mayor es la distancia donde se forma espacio oscuro.

En lo que consta al aumento o disminución de presión, se observó que cuanto a menor

presión tenga el tubo mayor es la intensidad de la luz emitida.

Figura 7- Muestras de rayos catódicos formados a presiones de 40 y 70 torr respectivamente.

NOTAS

El descubrimiento del electrón, a través del estudio de los rayos catódicos llevaron a Thomson a proponer un nuevo modelo atómico conocido informalmente como pudín de ciruelas, según el cual los electrones negativos se encontraban incrustados en una esfera de materia cargada positivamente, como las ciruelas se encuentran en el pudín.

El experimento que le llevó a concluir el nuevo modelo se obtuvo de los estudios de la conductividad de los gases a bajas presiones. En voltajes elevados, los gases se vuelven conductores eléctricos. Así, Thomson introdujo gas hidrógeno en un tubo de rayos catódicos: un tubo de vidrio donde se sitúan dos polos (cátodo y ánodo) entre los que se genera una corriente eléctrica de varios miles de voltios, y donde se inducía parcialmente el vacío. Al aplicar dicha corriente, el gas se volvía incandescente, y se producía un rayo de colores (rayos catódicos), que debía estar formado por partículas negativas, ya que al aplicar un campo magnético positivo, el haz de luz se curvaba hacia él. [6]

¿Por qué la luz emitida en esta práctica experimental es violeta azulada?

Los colores de la luz visible producida dependen del gas en el tubo. Así, el oxígeno

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origina la luz violeta; el bióxido de carbono, azul pálida; el neón, roja brillante; y el vapor de mercurio, azul verdosa intensa.

REFERENCIAS

[1] http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/70196/fichero/Capitulo3%252Fcapitulo3.pdf.

[2] http://tubosdedescarga.blogspot.com.

[3] http://es.wikipedia.org/wiki/Tubo_de_Crookes.

[4] http://www.fullquimica.com/2011/03/los-rayos-catodicos-y-el-descubrimiento.html.

[5] http://www.miliarium.com/ATECOS/HTML/Soluciones/Fichas/Lamparas_de_descarga.pdf

[6] http://timerime.com/es/evento/1566571/JJ+Thomson+descubre+los+electrones/

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