RELATÓRIO EXPERIMENTO: RAZÃO CARGA MASSA

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO SUL

Faculdade de Física

RELATÓRIO EXPERIMENTO: RAZÃO CARGA MASSA

Isadora Veiga Da Rosa, João Pedro May e Marcelo Dorneles.

Porto Alegre

2018

1. Introdução

 Com o desenvolvimento no estudo da estrutura da matéria, logo do átomo, percebeu-se com alguns experimentos a presença de partículas carregadas negativamente no mesmo. Mesmo antes disso ser confirmado experimentalmente, já haviam desconfianças a respeito. Um exemplo de evidência foi o estudo da emissão de radiação pela matéria, que sugeria que algo oscilava internamente dos sistemas atômicos destes compostos.  

Em 1858 Julius Plücker notou que ao incidir uma diferença de potencial e gerar uma passagem de corrente elétrica num gás rarefeito, era emitida uma radiação pelo catodo. A mesma se propagava em linha reta, pois ao ser direcionada a um objeto como uma cruz de metal, produzia uma sombra dela. William Crookes também percebeu tal fenômeno e intuiu que esta radiação seriam íons negativos.  

Em 1876,  Eugen Goldstein constatou que tais raios, denominados por ele como raios catódicos, saíam perpendicularmente ao catodo. Assim mostrou que eram, na verdade, partículas negativas e não raios luminosos, que seriam emitidos em todas as direções. Com isso, em 1883, Henry Hertz tentou desviar tais partículas carregadas com um campo elétrico, gerado com a passagem dos raios pelas placas de um capacitor. Ao fracassar em sua tentativa, negou que os raios catódicos fossem compostos de partículas carregadas, pois se assim fossem, seriam desviadas pelo campo elétrico formado. Isto acabou ocorrendo pelo vácuo de má qualidade e em 1895, Jean Perrin incidiu os raios por um pequeno furo numa gaiola de Faraday e viu que foi carregada negativamente, provando de vez que eram sim partículas negativamente carregadas.  

Em 1897, J. J. Thomson mediu a razão entre a carga “q” e a massa “m” desta partícula, que é o que também medidos no experimento aqui neste relatório descrito. No experimento de Thomson ele observou os elétrons dos raios catódicos em descargas elétricas em gases à baixa pressão, gerados pelo catodo e acelerados por uma diferença de potencial. Quando submetido a campo elétrico e magnético transversais, tinha seu feixe defletido, justificando seu sinal negativo. Ele encontrou a razão tratada pelo campo elétrico aplicado, quando forças elétrica e magnética fossem iguais.  

1. Metodologia

Neste experimento buscamos determinar o valor da razão carga massa do elétron e observar a deflexão desses elétrons em um campo magnético. O experimento era constituído de um tubo de vidro que no seu interior é preenchido por um gás, com uma pressão constante. Também no seu interior é possível visualizar o canhão de elétrons, as lâminas de deflexão e através de uma escala de 2 a 5 cm conseguimos obter o valor do raio para os cálculos posteriores. Este tubo de vidro está entre duas bobinas com 154 espiras.

O experimento estava ligado a duas fontes, sendo a segunda ligada ao um multímetro que nos permitiu obter um valor de tensão, que no primeiro momento mantivemos constante e com isto a primeira fonte nos deu os valores de corrente. No segundo momento mantivemos a primeira fonte com uma corrente constante e obtivemos os dados da tensão que variou na segunda fonte, estes valores foram anotados toda vez que no tubo de vidro a deflexão atingisse o raio desejado entre os valores de 2 e 5 cm. O experimento foi executado em um ambiente escuro para melhor visualização dos raios catódicos.

1. Resultados e análise dos resultados

Sabemos que dentro da esfera de vidro os elétrons possuem energia cinética gerada pela ddp entre o ânodo e o cátodo, de tal forma que:

[pic 1]

Sabemos também que estes elétrons estão sujeitos a uma força magnética :[pic 2]

[pic 3]

Uma vez que o campo magnético e a velocidade do elétron são paralelos, podemos reescrever essa equação:

[pic 4]

Além disso, essa força é de natureza centrípeta, uma vez que o feixe de elétrons estabelece uma trajetória circular:

[pic 5]

[pic 6]

Combinando as equações (1) e (2), chegamos que a razão carga-massa para o elétron pode ser descrita como:

[pic 7]

O campo magnético B estabelecido pelas espiras circulares pode ser calculado por:

[pic 8]

Onde é o índice de emissividade dentro da ampola de vidro, n é o número de espiras e R o raio dessas espiras.[pic 9]

Fizemos oito medidas, onde em quatro delas usamos um valor fixo de corrente nas espiras,  portanto mantendo o mesmo campo magnético, mas alterando o valor da ddp e consequentemente de r. Nas outras quatro medidas, mantivemos o valor da ddp constante, e alteramos apenas o valor da corrente da corrente nas espiras, o que gerou quatro valores diferentes de campo magnético.

tensão (V)	corrente (A)	raio (m)	campo magnético (T)	e/me
150	2,92	0,02	2,02E-03	1,84E+11
150	1,84	0,03	1,27E-03	2,06E+11
150	1,38	0,04	9,55E-04	2,06E+11
150	1,10	0,05	7,61E-04	2,07E+11
82,0	1,50	0,02	1,04E-03	3,81E+11
115	1,50	0,03	1,04E-03	2,37E+11
174	1,50	0,04	1,04E-03	2,02E+11
250	1,50	0,05	1,04E-03	1,86E+11

Tabela contendo os dados coletados no experimento. Utilizamos oito valores para tensão entre o ânodo e o cátodo e para a corrente que percorria as espiras, de forma que encontrássemos os valores fixos de raio do feixe de elétrons circular.