NIVERSIDAD NACIONAL DE

TRUJILLO. FACULTAD DE ING. DE MATERIALES

DESCARGA ELECTRICA EN TUBOS CON GASES BAJAS PRESIONES.

Vásquez Arribasplata, Felipe (1); Vega Acosta, Larry; Trujillo Monzón, Cristopher.

(1) Estudiante del IV ciclo de la escuela académico profesional de Ingeniería de Materiales, Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Trujillo.

Fecha de realización: Fecha de presentación: 17/10/2013 24/10/2013

RESUMEN. En esta práctica vamos realizar tres experimentos con descargas eléctricas, el primer experimento será con un tubo de Crookes con cruz de Malta, el segundo experimento será el mismo tubo de Crookes entre dos bobinas de helmholtz y el tercer experimento es la de descargas eléctricas en un tubo con aire a baja presión.

También realizaremos un experimento con materiales fosforescentes y con leds cerca del carrete de Ruhmkorff.

INTRODUCCIÓN.

- La descarga luminiscente.

Se produce como descarga autónoma a bajas presiones. Si en un tubo de vidrio, que contiene aire a una presión normal y unos electrodos en sus extremos, se establece una diferencia de potencial de varios millares de voltios no se produce un paso de corriente apreciable; pero si la presión comienza a disminuirse paulatinamente hasta alcanzar un valor de 10 mm de Hg, se puede observar una débil luminiscencia a causa de la ionización por choque de las moléculas de aire. Los iones originados alcanzan grandes velocidades y al encontrar una molécula en su trayecto pueden arrancarle electrones. Si se sigue disminuyendo la presión, la luminosidad se extiende y estratifica. En el cátodo aparece una delgada capa muy luminosa o luz catódica seguida del denominado espacio oscuro de Crookes que se ensancha el disminuir más la presión; es posible, en condiciones adecuadas, observar la luz negativa y el espacio oscuro de Faraday y seguidamente una zona muy luminosa extensa o columna positiva.

- Descargas eléctricas.

Una descarga eléctrica es el pasaje de una corriente eléctrica que se produce entre dos electrodos, a través de un medio que puede ser sólido, líquido o gaseoso. Para que haya una descarga eléctrica es condición previa la existencia de una diferencia de potencial. La descarga tiende al equilibrio de esa diferencia de potencial, para que no caiga esa diferencia es necesaria una fuente productora de tensión en forma permanente, sino no existiría descarga.

El caso de descarga eléctrica a través de gases es muy importante para calcular la luz entre conductores de alta tensión, ya que existe una tensión eléctrica crítica disrruptiva que depende de la distancia entre conductores. Caso contrario se podrían originar accidentes.

Otro estudio de la descarga a través de gases es la que se experimentó a través de muchos años en gases a muy baja presión, mediante tubos de rayos catódicos, que dieron como resultado el descubrimiento del tubo de rayos catódico propiamente dicho de los monitores de TV y accidentalmente al experimentar con rayos catódicos el descubrimiento por parte de Roentgen de los rayos X.

Otro fenómeno de descarga gaseosa son los rayos de las tormentas eléctricas.

En la descarga a través del ser humano, el factor crítico es la intensidad de corriente elécrica, y no tanto la tensión eléctrica. Una tensión de 1000 voltios con unos pocos microamperios no es dañina y una tensión de 220 voltios con 1 amperio es fatal para el ser humano. Además de los efectos de paro cardiorrespiratorio que se puede dar tanto en corriente contínua como en corriente alternada. En la corriente contínua se agrega el deterioro electroquímico que se puede producir en el interior de los tejidos y fluidos orgánicos.

- Tubo de crookes.

El Tubo de Crookes es un cono de vidrio como consta en la figura (3), de gas rarificado, con 1 ánodo y 2 cátodos, en el interior constan con un metal que es el zinc en forma de cruz de malta donde esta vendría a ser el segundo cátodo. El primer cátodo está a un potencial eléctrico negativo y el ánodo a un potencial positivo, la superficie interna del tubo está recubierta con una sustancia fosforescente. Es una invención del científico William Crookes en el siglo XIX, y es una versión más evolucionada del desarrollo del Tubo de Geissler.

figura (1). Esquema del Tubo de Crookes.

La fuente de de bajo voltaje (A) está conectada al cátodo caliente (C) mientras que la fuente de alto voltaje (B) provee energía al ánodo revestido de fósforo (P). La máscara (M) se conecta al potencial del cátodo y su imagen se visualiza en el fósforo como área sin iluminar. Dimensiones del tubo de crookes: Diámetro soporte circular: 15,5 cm. Tub: 8x16x30 cm.

- Bobinas de helmholtz.

Una bobina de Helmholtz es un dispositivo para la producción de una región de campo magnético casi uniforme. Se llama así en honor al físico alemán Hermann von Helmholtz.

Descripción

Un par de Helmholtz consiste en dos bobinas magnéticas circulares idénticas que se colocan simétricamente uno a cada lado del área experimental a lo largo de un eje común, y separados por una distancia igual al radio de la bobina. Cada bobina lleva una corriente eléctrica igual que fluye en la misma dirección.

Una técnica de laboratorio útil para conseguir un campo magnético bastante uniforme es usar un par de bobinas circulares sobre un eje común con corrientes iguales fluyendo en el mismo sentido. Para un radio de bobina dada, se puede calcular la separación necesaria para conseguir el más uniforme campo central. Esta separación es igual al radio de las bobinas. Abajo se ilustra las líneas de campo magnético para esta geometría.

Figura (2). Campo magnético creado por la bobinas de helmholtz.

Campo magnético.

El campo magnético es una región del espacio en la cual una carga eléctrica puntual de valor que se desplaza a una velocidad V, sufre los efectos de una fuerza que es perpendicular y proporcional tanto a la velocidad como el campo. Así dicha carga percibirá una fuerza descrita con la siguiente ecuación:

F= qv x B

Donde F es la fuerza, v es la velocidad y b el campo magnético. (Nótese que tanto F como v y B son magnitudes vectoriales y el producto vectorial tiene como resultante un vector perpendicular tanto a v como a B. el módulo de la fuerza resultante será:

|F|-q|v||B|Senα

- Fosforescencia:

Recordemos que la luz interacciona con la materia en forma de "paquetes discretos de energía" denominados Fotones. La energía de un fotón depende de la frecuencia:

E= h. fDonde:

- h es la constante de Plank= 1,58 . 10-34 cal/s

- f es la frecuencia que está relacionada con la longitud de onda de la luz, mediante la siguiente ecuación:

f= c/ λSiendo:

- λ la longitud de onda de la luz.

La fosforescencia es un fenómeno de emisión luminosa, y la diferencia con la florescencia deriva de un problema de la energía de las moléculas excitadas por la luz. La fosforescencia es una radiación de vida media más prolongada que la fluorescencia, y está asociada con la intensidad de la luz absorbida. Si la absorción es más intensa, la vida es más corta y si es menos intensa es más prolongada.

OBJETIVO.

- Comprobar que los electrones viajan en forma recta.

- Comprobar que los electrones al chocar con los átomos del metal(zinc) y el vidrio emiten fotones.

- Comprobar que los campos magnéticos desvían los electrones.

- Observar y explicar el fenómeno de fosforescencia.

PARTE EXPERIMENTAL.

En estos experimentos se utilizaron materiales e instrumentos con los cuales se realiza el montaje de equipos experimental para poder observar los fenómenos.

INSTRUMENTOS Y MATERIALES.

Figura (2). Carrete de Ruhmkorff.

Figura (3). Tubo de Crookes con cruz de Malta.

Figura (4). Bobinas de helmholtz.

Figura (5). Tubo de descargas eléctricas.

Figura (6). Tubo de vidrio con materiales fosforescentes.

MÉTODO EXPERIMENTAL.

A. Experimento N°1:

Figura (8). Esquema experimental para el experimento del tubo de Crookes con cruz de Malta.

En este experimento usamos un tipo de tubo de Crookes provisto de una placa metálica de zinc entre el cátodo y la pantalla para demostrar las propiedades de los electrones.

La formación de un tipo de rayos u otro depende del grado de rarificación del gas dentro del tubo de descarga, los distintos tipos de rayos catódicos pueden explicarse, de hecho, por las diferentes velocidades con las que son emitidos por el cátodo.

B. Experimento N°2:

Los rayos catódicos resultaron ser portadores de carga eléctrica negativa incluso en el espacio vacío, y podían ser desviados de su camino por campos eléctricos y magnéticos.

Para este experimento usamos campos magnéticos provocados por la bobinas de helmholtz, colocando el tubo de crookes con cruz de malta entre las dos bobinas y al contrario del experimento N°1 cambiamos el cátodo por ánodo y ánodo por cátodo ósea que los electrones que se desprenden del ánodo van a salir de la parte inferior del tubo de crookes estrellándose en la parte superior del tubo una vez hecho se debe ver como la figura (10), luego encendemos las bobinas y observamos una desviación a la izquierda de los electrones como se muestra en la figura (9), luego cambiamos el sentido de la corriente en las bobinas de helmholtz y se cambia el campo magnético provocando que los electrones del tubo de crookes se desvíen hacia la derecha.

Figura (9). Figura (10). Figura (11).

C. Experimento N°3:

Descarga de electrones en un tubo con aire a 400 mTorr .

Figura (13). Esquema experimental N°3.

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.

D. Experimento N°4:

Figura (14). Imagen que muestra dos sustancias fosforescentes después de ser irradiadas con energía lumínica.

En este experimento se tienen dos sustancias que son iluminadas con algún tipo de radiación, en la figura (14) muestra dos sustancia después de ser expuestas a radiación.

E. Experimento N°5:

Se coloca unos leds cerca del carrete de Ruhmkorff cuando este estaba prendido y los leds se prendían.

Figura (15). símbolo electrónico de un led.

RESULTADOS.

Para el experimento N°1:

- Cuando se crea una diferencia de potencial elevada entre los electrodos situados en un extremo del tubo, se genera una incandescencia verde o dorada en el otro extremo del

cristal, donde se encuentra el ánodo. La incandescencia la producen los haces de electrones al golpear el cristal, conocidos como rayos catódicos.

- Esta incandescencia es debido a que la superficie interior del tubo de crookes está recubierta por una capa muy fina de un material fluorescente, los electrones a chocar con los átomos del este material esos átomos se excitan emitiendo fotones

- La placa crea una sombra con su forma en la incandescencia, lo que indica que los electrones, al igual que la luz, viajan en línea recta. La forma del cátodo permite dirigir y concentrar los electrones en el lugar deseado.

Para el experimento N°2:

Por la ley de la mano izquierda o regla de Fleming.

Figura (12). Regla de la mano izquierda.

La figura (9). Donde el flujo de electrones esta desviado hacia la izquierda entonces el campo magnético estará saliendo.

La figura(10). No hay campo magnético, el flujo de electrones no será desviado.

La figurea(11). El flujo de electrones esta desviado hacia la derecha el campo magnético estará entrando.

De esta manera se comprueba que el flujo de electrones es desviado por los campos magnéticos.

Experimento N°4:

Las sustancias al ser expuestas a radiación lumínica estas absorben esa energía y una vez quitada la radiación estas sustancias van arrojando fotones hasta descargarse completamente.

I

DISCUSIÓN.

La descarga se produce por el poder alimentación del carrete de Ruhmkorff de voltaje variable entre 400 y 1200 voltios, para diferentes presiones entre 20 y 4800 mTorr, esto es porque los electrones requiere bastante energía para romper el potencial de ionización de los átomos que presentan los diferentes gases durante la descarga.

CONCLUSIONES.

- Al crearce una diferencia de potencial muy alta dentro del tubo de crookes los electrones tienden a trasmitirse a través del gas ionizando sus átomos y emitiendo fotones a esto se debe los colores que se observan en el experimento N°2.

- Los leds se prendían debido a que el carrete de Ruhmkorff produce un campo magnético y el campo magnético crea una diferencia de potencial entre el ánodo y el cátodo de los leds provocando que se prendan.

APLICACIONES.

- Tubo de crookes se usa para fabricar el tubo de rayos catódicos que compones a los televisores de pantalla redonda.

REFERENCIA BIBLIOGRÁFICAS.

- http://es.wikipedia.org/wiki/Tubo_de_Crookes

- http://eltamiz.com/2010/06/16/premios-nobel-fisica-1905-philipp-lenard/

- Serway, Raymond; Física, conceptos y aplicaciones, 5a edición, Mc Graw-Hill, México: 2007.

- S. FRISH, A TIMOREVA, curso de física general, tomo II, segunda edición, editorial MIR.

- HANS. C. OHANIAN, física para ingeniería y ciencias, tercera edición, McCRAN- HILL/INTERAMERICANA EDITORES S.A. dicv.

- MAIZTEGUI-SABATO, física tomo II, edición argentina, séptima edición, julio de 1972, publicado en febrero de 1955, editorial KAPELUZ.

- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/magnetic/helmholtz.html

- http://centrodeartigos.com/articulos-noticias-consejos/article_127445.html

- http://www.jpimentel.com/ciencias_experimentales/pagwebciencias/pagweb/la_ciencia_a_tu_alcance_II/fisica/Exp_fis_fuorescencia_fosforescencia.htm

- http://es.wikipedia.org/wiki/Calcita

- http://es.wikipedia.org/wiki/Fluorescencia

- http://eltamiz.com/2010/06/16/premios-nobel-fisica-1905-philipp-lenard/

- http://es.wikipedia.org/wiki/Tubo_de_Crookes

- http://es.wikipedia.org/wiki/Tubo_de_Geissler

- http://www.cientificosaficionados.com/tecnicas/fosforos.htm

- http://www.agro.unlpam.edu.ar/catedras-pdf/13fosforescencia.pdf

ANEXOS.

Catodoluminiscencia:

Es conocida también como electroluminiscencia y es debida a la excitación por electrones. Tiene lugar cuando ocurren descargas eléctricas en presencia de gases enrarecidos o con vapores de ciertas sustancias. De ahí los llamados rayos catódicos que se utilizan en las pantallas de diferentes tipos de dispositivos, como: televisores, radares, etc.

Quimioluminiscencia.

Es causada por reacciones químicas, como cuando el fósforo amarillo se oxida en aire, emitiendo una luminiscencia verde. Si la reacción química ocurre en un organismo viviente, tal como la luciérnaga, el proceso se llama bioluminiscencia.

Bioluminiscencia.

Emisión de luz por organismos vivientes, sin calor apreciable. La luz resulta de una reacción química de enzimas y ciertas otras sustancias en los organismos. Bacterias, algas, hongos y varios animales invertebrados tienen especies bioluminiscentes. Algunos peces de mares profundos están equipados con órganos que producen luminiscencia hacia la que se ve atraída la presa. La luz emitida por la luciérnaga hembra atare al varón para el apareamiento.

Roentgenluminiscencia.

Luminiscencia producida por rayos X de altas energías al bombardear ciertos materiales; un ejemplo es la incidencia de los rayos X en una pantalla fluoroscópica.

Anodoluminiscencia e ionoluminiscencia.

Corresponden a la luminiscencia en ánodos debida a la acción de iones positivos sobre la sustancia

Radioluminiscencia.

Es la luminiscencia producida por la acción de materiales radiactivos; se utiliza en los sistemas de centelleo para la detección y conteo de partículas. El término no es específico acerca de qué tipo de emisión proveniente de la radiactividad es la que la causa, es decir, alfa, beta o gamma.

Fotoluminiscencia.

Es la creada cuando ciertos materiales son irradiados por luz visible o luz ultravioleta; un ejemplo es la fosforescencia de pinturas.

Sonoluminiscencia.

Se ha observado en algunos líquidos orgánicos, es la luminiscencia producida por ondas sonoras de ultra altas frecuencias, o ultrasonidos.

Tipos de leds:

Figura (16). Diferentes tipos y tamaños de leds.