Laboratorio de química



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OBJETIVOS





  1. Que el alumno conocerá el principio de funcionamiento del aparato para la determinación de la relación entre la carga y la masa de los rayos catódicos, su manejo y las precauciones que deben observarse al utilizarlo.




  1. Determinará experimentalmente la relación entre la carga y la masa de los rayos catódicos.




  1. Determinará el error experimental en la relación entre la carga y la masa de los rayos catódicos.


HIPÓTESIS
Los rayos catódicos es un flujo de partículas que poseen carga, masa y que tiene una trayectoria recta en su movimiento sin las influencias magnéticas del entorno, por lo que se puede determinar la relación que hay entre la carga y la masa de dichas partículas.
DESARROLLO
En el laboratorio se contó con 2 tipos de equipos para la realización de esta práctica, uno de ellos denominado aparato PASCO que consta de dos fuentes de poder, una de ellas para bajo voltaje y la otra para alto voltaje y el aparato que genera los rayos catódicos que consiste en un tubo al semivacío con un gas inerte como el helio que permite la fluorescencia de los rayos catódicos y dos bobinas para generar un campo magnético. El segundo equipo más simple de operar denominado aparato DAEDALON que consiste en un tubo al semivacío con un gas inerte como helio que permite ver la trayectoria de los rayos catódicos en su interior, este aparato está rodeado por dos bobinas para generar un campo magnético.
Para los fines de este reporte se usó como instrumento para determinar la relación entre la carga y la masa el aparato DAEDALON. Este aparato lo único que se le tiene que hacer para su operación es encenderlo y esperar 30 segundos para que termine su autoprueba, la cual si es satisfactoria los dos display marcarán ceros. El control izquierdo sirve para ajustar el voltaje del campo eléctrico al cual se sujetarán los rayos catódicos para su operación. El control derecho sirve para ajustar la intensidad de la corriente eléctrica en las bobinas que generan el campo magnético.

Al ajustar el voltaje del campo eléctrico a 200 [V], se observo lo siguiente:


Que del cátodo (diferenciado por contener un filamento incandescente y que funciona por el principio de emisión termoiónica) sale un rayo de color verde claro hacia abajo en línea recta a través de un orificio del ánodo. Con ello se comprueba la hipótesis de que los rayos catódicos sigue trayectorias rectas.
Al ajustar la corriente para crear un campo magnético para desviar los rayos catódicos, se observa lo siguiente:
Que los rayos catódicos se desvían hacia la izquierda comenzando a describir un arco conforme se aumenta la cantidad de corriente hacia las bobinas, es decir, aumenta el campo magnético, hasta generar una circunferencia que se cierra en el ánodo colocado en la parte superior del cátodo.
El haz de rayos catódicos conforme cambia el diámetro de la circunferencia, cambia de grosor, para ciertos radios se tiene bien definido y para otros se tiene que es difuso. Esto se debe a que siguen las líneas del campo magnético y por su comportamiento se puede deducir que las líneas de este campo no son uniformes en todo el espacio que sirve como trayectoria para estos rayos.
Que el rayo catódico no puede ser fijado en algún radio en particular, debido a que el paso de giro del control del campo magnético es fijo, por lo que para ajustarlo a un determinado radio se tiene que aproximarlo lo más posible a ese radio según la regla graduada en el interior del instrumento y tomar la lectura de la corriente necesaria para ello.
El experimento consiste en establecer una determinada circunferencia y tomar la lectura de la corriente suministrada a la bobina para la generación del campo magnético. Al término de las mediciones se pasó a ver el funcionamiento del aparato PASCO, apreciándose que el procedimiento de ajuste del instrumento es mucho más laborioso, delicado y que la toma de los radios o diámetros del rayo catódico es mucho más difícil y sujeto a un mayor margen de error.
RESULTADOS
En la tabla adjunta a este reporte se detallan las mediciones realizadas así como los resultados de los cálculos correspondientes. El cálculo del campo magnético se obtiene de la siguiente fórmula:
B = (0nI(0.8)3/2) / a
Donde:
B = Inducción del campo magnético.

0 = Constante de permeabilidad magnética = 4 X 10-7 [TmA-1]

n = Número de espiras de las bobinas = 120.

I = Intensidad de corriente eléctrica suministrada a las bobinas.

a = Radio de las bobinas = 0.15 [m].
La relación carga / masa del electrón se determina partiendo de las siguientes ecuaciones:
Ek = 0.5mv2

W = Fd = qV

Ek = W

q / m = v / (rB)


Para dar como resultado la siguiente ecuación:
q / m = (2Va2) / ((r0nI)2(0.8)3)
Donde:
q = Carga de los rayos catódicos.

m = Masa de los rayos catódicos.

V = Diferencia de potencial del campo eléctrico.

r = Radio que describen los rayos catódicos.


Adicionalmente se obtiene el valor promedio de todos los cálculos de la relación carga / masa y se obtiene el error contra un valor aceptado de la relación carga / masa de los rayos catódicos.
Las unidades de la relación carga / masa es de esperar que sean unidades de carga (Coulomb) y unidades de masa (Kilogramos, gramos dependiendo del sistema de unidades usado), para ello se detalla a continuación el análisis dimensional de la ecuación que permite conocer este resultado experimental que debe de tener como propiedad que debe de ser consistente en sus unidades.
La ecuación es:

q / m = (2Va2) / ((r0nI)2(0.8)3)


Sus unidades implicadas son:
q /m = [ V m2 ] / [ ((mTmA) / A)2]
Desarrollando tenemos:
= [Vm2 / (T2m2)] = [V / T2]
Si

T = [Kg / (CSeg)]

y

V = [Kg / (CSeg2)]


Entonces se tiene:
q /m = [Kg / (CSeg2)] / [Kg2 / (C2Seg2)] = [C / Kg]
por tanto:
q / m = [C / Kg]




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