atomTIC Índice Primera Sesión

4. Los experimentos de Thompson

Introducción

Es muy conveniente comenzar el estudio de los experimentos de Thompson con la presentación del fenómeno de la descarga eléctrica en gases a baja presión. Como la mayoria de los institutos carecen de equipos de tubos de descarga, se pueden aprovechar las fuentes de los equipos de espectrometría.

La experiencia debe contextualizarse en el los intentos por conocer la naturaleza de la electricidad.[ref hist 1, ref hist 2] En el análisis de la misma deben distinguirse dos problematicas diferentes:

1. La incandescencia que se produce en el gas (sobre esta cuestión trataremos en la sesión de espectrometría)

2. La naturaleza de la electricidad que produce la incandescencia: ¿qué es lo que está viajando por el gas? ¿qué está saltando de un electro a otro?

Abordar está segunda línea de investigación lleva a plantearse el diseño de experimentos para decidir si la electricidad tiene una naturaleza corpuscular u ondulatoria. En ocasiones, algunas de las ideas que proponen los alumnos se corresponden con los diseños experimentales históricos. Otros montages deben ser sugeridos por el profesor. Si no se dispone de los tubos de descarga para reproducir los experimentos se puede recurrir a filmaciones de los mismos. En cualquier caso, uno de los experimentos se puede reproducir con las fuentes de los equipos de espectrometría.

En la sesión presencial se trabajó de forma análoga a como se procede en el aula con alumnos. La diferencia fundamental fue que surgieron todas las propuestas correspondientes a los montages históricos (cosa que evidentemente no suele pasar en clase). A continuación pasamos a cometar los diferentes experimentos que se pueden hacer y en cada caso nos referiremos a las propuestas con ellos relacionados.

Ficha de trabajo utilizada en la sesión:   versión Word     versión PDF

Experimento del molinillo

Una propuesta para determinar si la descarga eléctrica está formada por ondas o partículas consiste en estudiar si es capaz de mover un objeto. El ejemplo típico es hacer girar un molinillo. La hipótesis que se hace es que si se observa que el molinillo gira las descarga eléctrica debe estar constituida por partículas. Al realizar el experimento se comprueba que efectivamente la descarga eléctrica produce el giro del molinillo.

El paso de la electricidad por el tubo de descarga origina el movimiento de las aspas del molinillo
Vídeo del experimento (600Kb)

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Pero en la interpretación de este resultado es necesario ser precabido. Las ondas electromagnéticas, según la teoría de Maxwell, también son capaces de mover los objetos, ya que no solo transportan energía sino que también transportan cantidad de movimiento. Si el experimento apoya la idea de una concepción corpuscular de la electricidad es por el orden de magnitud de la cantidad de movimiento implicada. Se trata pués de una "prueba circunstancial" que no permite una sentencia firme. [Ref hist 4]

Efecto del campo electrico y del campo magnético

Otra posibilidad para determinar la naturaleza (ondulatoria o corpuscular) de los rayos catódicos es analizar el efecto que sobre ellos produce un campo eléctrico o un campo magnético. La hipótesis ahora es que si los rayos están formados por partículas cargadas deben desviarse cuando son sometidos a la acción de un campo eléctrico o de un campo magnético. Efectivamente tanto un campo eléctrico como un campo magnético cambia la dirección del rayo catódico. El experimento es compelejo de realizar con campo eléctrico, pero relativamente sencillo con campo magnético.

A continuación presentaremos cuatro variaciones diferentes del experimento de desviación de rayos catódicos por la acción de campos magnéticos. Las tres primeras requieren para su realización de diferentes tipos de tubos de descarga. La cuarta, que no es tan vistosa como las anteriores, se puede hacer con los tubos espectrales de los equipos de espectrometría. En todos los caso, para regular la intensidad del campo magnético que se aplica, proponemos la construcción de un sencillo electroimán, utilizando material de electricidad del que se dispone en los centros [Detalles técnicos de la construcción del electroimán]

Efecto del campo magnético utilizando un tubo de descarga con una pantalla interpuesta que permite visualizar el punto de incidencia del rayo

Para estudiar el efecto del campo magnético sobre el rayo catódico, el tubo de descarga más adecuado es el que dispone de una pantalla interpuesta entre los electrodos que permite visualizar el punto de incidencia del rayo. Nosotros empleamos uno, como el reproducido en la ilustración (Figura 1), en el que la pantalla permite visualizar el punto de incidencia de los rayos solo por uno de sus costados.

Figura 1
Figura 2

Con este tubo hemos diseñado dos experiencias. En la primera experiencia utilizamos el electrodo de la izquierda como negativo y aplicamos un campo magnético perpendicular a la dirección del rayo y dirigido hacia el lado desde el que observamos. En el esquema de la Figura 2 este campo magnético es perpendicular al plano de la representación y dirigido hacia afuera.[Detalle de la disposición del electroimán] Se observa que el rayo catódico se desvia hacia abajo, como corresponde a un haz de partículas negativas.

La desviación del rayo catódico al aplicar un campo magnético hacia afuera es la que corresponde a un haz de partículas negativas
Vídeo del experimento (550 Kb)
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En la segunda experiencia diseñada con el mismo tubo, empleamos el electrodo de la derecha como negativo. Entonces la pantalla proyecta una sombra sobre la cara izquierda del tubo. Un campo magnético aplicado en la misma dirección que antes, desvia el límite superior de esta sombra hacia arriba.

La aplicación de un campo magnético hace que el límite superior de la sombra se desplace hacia arriba.
Vídeo del experimento (500 kb)