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1. Introdução
Em 1897 Thomson realizou sua experiência utilizando um tubo de raios
catódicos (Fig. 1), aplicando simultaneamente campos elétricos e magnéticos aos raios.
Desta forma comprovou que os mesmos se comportavam como partículas
negativamente carregadas, e que independentemente da substância estudada, possuíam a
mesma característica. Thomson pode então calcular a razão entre a carga e a massa das
partículas no feixe, utilizando as leis básicas da eletricidade e magnetismo.
Figura 01: Aparato e representação utilizados por Thomson, em sua experiência no intuito de mediar a razão carga/massa das partículas dos raios catódicos.
Quando um elétron com carga eo é colocado no campo elétrico entre duas placas
paralelas carregadas, uma força agirá sobre ele, ocasionando a aceleração do elétron e
sua energia cinética. Essa energia é igual ao trabalho realizado pelo campo elétrico.
Temo então:
= eoU
v = [1]
Onde mo a massa do elétron, v a velocidade e U a diferença de potencial.
Se o elétron se move dentro de um campo magnético ele será defletido pela
Força de Lorentz.
F = eo [ V x B ] [N] [2]
Sendo B o campo magnético.
Se o movimento do elétron for perpendicular às linhas de força do campo
magnético, torna-se:
F = eo [ V.B ] [N] [3]
Desde que essa força seja perpendicular ao movimento dos elétrons e as linhas
de força (é um produto vetorial), o movimento resultante será um circulo de raio r.
Nesse movimento, a força centrípeta será igual, mas de sentido oposto da força de
Lorentz.
= eo.V.B
v = m/s [4]
Combinando as equações [1] e [4], obtemos a relação carga/massa do elétron em
função do potencial de aceleração dos elétrons, da intensidade do campo magnético e do
raio do círculo formado pelo feixe de elétrons.
= C/kg [5]
Lembrando que o campo magnético produzido próximo de um par das espiras de
Helmholtz é dado por:
B = [6]
Tubo de vidro
Espiras de Helmholtz
Painel de controle
Cortina de pano preto
Escala espelhada
Fontes de tensão
Multímetros
4. Procedimento Experimental
4.1. Procedimento Experimental 01
Primeiramente verificou-se a posição da chave “toggle switc”, no painel de
controle, para o experimento “e/m measure”. O botão de ajuste da corrente para as
espiras de Helmoholtz foi desligado.
As fontes de tensão e corrente, juntamente com os multímetros, foram
conectadas conforme o esquema da figura 02, e ajustadas nos seguintes níveis:
“heater” : 6,3 VAC ou VDC ≈ 6 v
“electrodes” : 150 VDC ≈ 151,58 v
“espiras de Helmholtz” : 6-9 VDC ≈ 8,6 A
Figura 03: Esquema das ligações realizadas com as fontes, painel de controle e os multímetros.
Ajustou-se lentamente o valor da corrente nas espiras, tomando cuidado para não
exceder o valor máximo permitido de dois ampere (2 A). A cortina de pano preto foi
encaixada no aparato experimental para facilitar a observação do feixe de elétrons
dentro do tubo. O foco teve de ser ajustado para afinar o feixe, e assim aprimorar a
visualização da trajetória do mesmo.
Após toda a calibração necessária, a corrente nas espiras foi ajustada para 1,88 A,
mantendo este valor fixo, variando somente a tensão nos eletrodos entre 290 v, 260 v,
235 v, 210 v e 160 v. Para cada valor de tensão foram obtidos cinco medidas de raios,
que foram observados individualmente por cada componente do grupo.
Na segunda etapa realizou-se o mesmo procedimento, mas utilizando cinco
valores distintos de correntes, e em cada uma delas variando também a corrente com os
mesmos valores usados anteriormente.
Voltagens (V) 160 210 235 260 290 Incerteza
Raios Medidos (cm)
Média 0,67 1,29 2,70 3,05 3,41 ± 0, Tabela 03: Valores dos raios medidos com corrente de 1,59A.
Voltagens (V) 160 210 235 260 290 Incerteza
Raios Medidos (cm)
Média 1,27 2,93 3,64 4,12 3,17 ± 0, Tabela 04: Valores dos raios medidos com corrente de 1,70A.
Voltagens (V) 160 210 235 260 290 Incerteza
Raios Medidos (cm)
Média 0,99 2,86 2,73 3,75 3,90 ± 0, Tabela 05: Valores dos raios medidos com corrente de 1,79A.
Voltagens (V) 160 210 235 260 290 Incerteza
Raios Medidos (cm)
Média 0,99 2,51 2,61 3,31 3,64 ± 0, Tabela 06: Valores dos raios medidos com corrente de 1,97A.
Utilizando a equação [7], foram determinados os valores da razão carga/massa
para suas respectivas correntes.
Voltagens (V) 160 210 235 260 290 I= 1,88 A 1,37x10^12 1,17x10^12 1,13x10^12 1,87x10^11 1,79x10^11 I= 1,49 A 2,74x10^11 2,19x10^11 2,00x10^11 3,25x10^11 2,38x10^11 I= 1,59 A 4,64x10^12 1,64x10^12 4,19x10^11 3,64x10^11 3,24x10^11 I= 1,70 A 1,33x10^12 2,78x10^11 2,02x10^11 1,74x10^11 3 , 28 x10^11 I= 1,79 A 1,67x10^12 2,63x10^11 3,24x10^11 1,90x10^11 1,95x10^11 I= 1,97 A 1,38x10^12 2,82x10^11 2,92x10^11 2,01x10^11 1,85x10^11 Tabela 07: Valores das medidas para razão carga/massa (C/Kg).
5.2. Análise do procedimento 02
Observou-se que sem corrente o feixe se comporta como uma reta, e não mais
como um circulo, observado no procedimento anterior. Fazendo a tensão reduzir
constantemente, o feixe também diminui seu comprimento até sumir.
5.3. Análise do procedimento 03
Após girar o tudo de vidro em 90° sentido horário, o campo magnético muda de
direção e consequentemente também a força, dessa forma tem-se uma nova orientação
do feixe que é sempre perpendicular ao campo.
