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TUBOS DE DESCARGA A.F. Chávez1, A. García2, C.F. Camargo3, D.M. Caro4, J.F. Castro5, L.C.I. Fonseca6, M.A. Navas7 Laboratorio de Física Moderna. Escuela de Física, Facultad de Ciencias. Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia-UPTC Marzo 12, 2019

RESUMEN: La practica consistió en la observación de diferentes tipos de tubos de descarga, generando una diferencia de potencial dentro del tubo con diferentes tipos de gases, que al hacer pasar un haz de electrones por estos generaban un espectro diferente para cada gas que este contenía en su interior. Se observaron estos fenómenos haciendo uso de una bomba de vacío, un carrete de Ruhmkorff, un cañón de electrones y tubos de rayos canales. PALABRAS CLAVE: Tubos de descarga, electrones, espectro. ABSTRACT: The practice consisted in the observation of different types of discharge tubes, generating a potential difference inside the tube with different types of gases, which when passing an electron beam through these generated a different spectrum for each gas it contained in its inside. These phenomena were observed using a vacuum pump, a Ruhmkorff reel, an electron gun and channel ray tubes. KEYWORDS: Discharge tubes, electrons, spectrum.

I.

II.

INTRODUCCIÓN.

OBJETIVOS

Objetivo General:

Cuando se aplica alta tensión a un tubo, el campo eléctrico acelera el pequeño número de iones cargados eléctricamente siempre presentes en el gas, generando choques con otras moléculas del gas, de esta manera se extraen nuevos electrones fuera de ellas y producen más iones positivos.

 Analizar el experimento de los tubos de descarga. Objetivos Específicos:  Observar la radiación producida por una diferencia de potencial del orden de 2000V dentro de un tubo con un gas a presión atmosférica.  Comprar la radiación emitida de tubos con diferentes gases a baja presión, sometidos a una elevada diferencia de potencial.  Observar la interacción de campos eléctricos y magnéticos sobre la radiación producida por los diferentes gases.

Una descarga eléctrica en un medio gaseoso, es un fenómeno en el que el gas, que normalmente, no conduce electricidad, empieza a hacerlo debido a la ionización de sus átomos, como consecuencia de la influencia de una fuente energética, debida a una diferencia de potencial entre los electrones que si sitúan en el gas. Si se ha bajado la presión lo suficiente, esto es, si se ha extraído suficiente gas del interior del tubo, la mayoría de los electrones puede recorrer la longitud del tubo sin chocar con una molécula de gas; la alta tensión acelera estas partículas de masa y, cuando llegan al ánodo en el extremo del tubo, tienen tanto impulso que, a pesar de la atracción del ánodo, lo sobrepasan y golpean la pared posterior, en el extremo del tubo.

III.

MARCO TEORICO.

El estudio de las descargas eléctricas en gases adquirió a finales del siglo XIX una importancia insospechada cuando ayudó a establecer una relación entre la hipótesis atómica de la materia y los principios del electromagnetismo. Se descubrió que al aplicar una diferencia de potencial de varios miles de voltios entre dos electrodos de un tubo de descarga relleno de un gas enrarecido se producían destellos luminosos que se propagaban a modo de rayos entre los electrodos del dispositivo (ánodo).

Cuando chocan contra los átomos del cristal, colisionan con sus electrones orbitales, excitándolos hacia un nivel de energía más alto; su des excitación posterior da lugar a la emisión de luz, en un proceso de fluorescencia que hace brillar al vidrio. Después de chocar con la pared, los electrones eventualmente son atraídos de regreso al ánodo, donde un cable cierra el circuito hacia la fuente de alimentación. 1

FISICA MODERNA EXPERIMENTAL___________________________________________________MICROONDAS  Tubo de descarga:

 Tubo de rayos canales:

Sirve para la observación de los fenómenos presentes dúrate la 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.

Los rayos canales también conocidos con el nombre de rayos anódicos o positivos, se hacen de rayos positivos continuos por cationes atómicos o moleculares que se desplazan hacia el átomo mas cercano y se introducen en el núcleo para así formar el rayo anódico electrodo negativo en un tubo de Crookes.

 Bomba de vacío:

IV.

En 1650 Otto Von Guericke invento las bombas de vacío, el método de trabajo de las bombas de vacío son aquellos dispositivos que se encargan de extraer moléculas de gas o liquido de un volumen sellado, formando un vacío parcial.

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 Tubos de rayos catódicos: Son tubos de vacío de vidrio dentro de los cuales un cañón de electrones emite una corriente de electrones guiada por un campo eléctrico hacia una pantalla cubierta de pequeños elementos fluorescentes.

Bomba de vacío. Tubo de cristal. Tubo de cruz de Malta. Tubo de rayos catódicos. Tubo de rayos canales. Carrete de Ruhmkorff. Fuente DC. Imanes. V.

 Tubo de Cruz de Malta: Es un cono de vidrio con un ánodo, cátodo y una cruz hecha de zinc, el cual se encuentra sellado y por este circulan una serie de gases fluorescentes. Se basa en que el rayo se estrelle contra la cruz y la rodea, generando así una sombra al final del tubo. Gracias ha este tubo se puede demostrar que los rayos catódicos se propongan en línea recta. Una pantalla metaliza de forma de cruz de Malta, se dispone de modo que intercepte el haz de los rayos catódicos, produciendo una zona de sombra sobre la pantalla que satisface las leyes de la propagación de las ondas rectilíneas.

MATERIALES

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

 Se prepara el tubo de descarga. Se realiza una limpieza interna.  Se prepara el carrete de Ruhmkorff, la bomba de vacío, la fuente y el tubo de descarga.  Se aplica vacío al tubo de vidrio y se conecta las salidas del carrete de Ruhmkorff a los electrodos del tubo.

 Cañón de electrones: Los electrones son emitidos por un cátodo mediante la aplicación de una diferencia de potencial (este proceso es favorecido por el efecto termoiónico) este tiene forma de un cilindro cerrado con uno de sus extremos formado por una placa cubierta por óxidos de bario y estroncio que emite un haz de electrones de alta densidad.

Ilustración 1 Montaje experimental

 Aplicar una diferencia de potencial entre los electrodos del tubo de descarga el cual se encuentra inicialmente a presión atmosférica. Luego mediante la bomba de vacío, empezar a generar vacío en el interior de tubo observar y analizar.

 Carrete de Ruhmkorff: Es un generador eléctrico que permite tener tensiones muy elevadas, del orden de los miles o decenas de miles de voltios a partir de una fuente de corriente continua. El principio de la bobina es el de un transformador elevador de tensión constituido de una bobina primaria y de una bobina secundaria.

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FISICA MODERNA EXPERIMENTAL___________________________________________________MICROONDAS

Ilustración 2 Diferencia de potencial entre los electrodos a presión atmosférica.

Ilustración 5 Cruz de Malta al aplicarle una diferencia de potencial.

Ilustración 6 Cruz de Malta al invertir la polaridad, de la diferencia de potencial.

 Repetir el procedimiento anterior con el tubo de rayos catódicos. Aplicarle un campo eléctrico dentro de este y un campo magnético. Ilustración 3 Haciendo uso de la bomba de vacío se cambia la presión a la cual se encuentra el tubo.

 Luego se procede a conectar la cruz de malta a los electrodos de carrete, una vez realizada la conexión entre los elementos, se aplica una diferencia de potencial para observar que sucede en el interior del tubo, Después se acerca un imán para observar la interacción.

Ilustración 7 Tubo de rayos catódicos.

Ilustración 4 Montaje experimental para el Tubo de Cruz de Malta.

Ilustración 8 Tubo de Rayos Catódicos al aplicarle un campo Eléctrico.

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FISICA MODERNA EXPERIMENTAL___________________________________________________MICROONDAS  Cambiar el tubo de rayos catódicos por el tubo de rayos canales o de Goldstein y observar.

Ilustración 12 Color emitido por el helio al interactuar con el campo eléctrico. Ilustración 9 Tubo de Rayos Canales al aplicarle un campo eléctrico.

 Ahora con el tablero de tubos con diferentes gases, observar la radiación emitida por estos gases.

Ilustración 10 Color emitido para el gas de neón en la letra P y argón en la letra W.

Ilustración 13 Color emitido por el Kriptón al interactuar con el campo eléctrico.

 Después con el carrete y distintos tubos de diferentes gases, se observará las distintas tonalidades dependiendo del gas.

Ilustración 14 Color emitido por el mercurio al interactuar con el campo eléctrico.

Ilustración 11 Carrete de Ruhmkorff y tubos de cristal con gases.

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FISICA MODERNA EXPERIMENTAL___________________________________________________MICROONDAS  Es de resaltar que dependiendo del gas que tenga en el interior del tubo este al interactuar con el campo electrico me genera un espectro diferente y caracteistico de cada gas.

 Despues haga uso de la bobina de Helmholtz se observe lo sucedido.

Ilustración 15 Bobina de Helmholtz al aplicarte un campo eléctrico y magnético.

VI.

CONCLUSIONES:

 En el experimento del tubo de vacío podemos observar que, con diferentes presiones, los gases dentro del tubo toman mayor consistencia si se produce un vacío, y hay presencia de oxigeno el fenómeno dentro del tubo es diferente, por partes y no uniforme.  En el tubo con una cruz de malta, se puede apreciar que al direccionar el campo apuntando hacia la cruz estos chocan contra esta y se puede ver claramente el contorno de la cruz reflejado en el final del tubo, los electrones que se golpean con la cruz se dirigen nuevamente al ánodo.  Tanto en el tubo de rayos canales y en el cruz de Malta, es gracias a la velocidad con la cual salen disparados los electrones del catodo que se puede ver estos fenomenos ya que los electrones que van muy rapido no son atraidos con tanta facilidad hacia el anodo y chocan contra el final del tubo.  En la bobina de Helmholts se puede apreciar como son redirigidos los electrones al superponerles un campo electrico y magentico generado de esta manera las figura semicircualeres viendolo de frente y en forma de bobina al observalos de lado. 5