Experimento - 33 - O efeito de um campo magnetico no movimento de particulas carregadas

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33 O efeito de um campo magnético no
movimento de partículas carregadas
Objetivo
Investigar o efeito de um campo magnético no movimento de partículas carregadas.
Introdução
Partículas carregadas em repouso não são afetadas por campos magnéticos. No entanto, ao entrarem em movimento, elas são desviadas de suas trajetórias por um campo magnético. A descoberta de que elétrons em movimento são afetados por imãs foi essencial e ocorreu somente na virada do século XX. Atualmente, muitos equipamentos utilizam esse conhecimento, desde motores elétricos até televisões.
Nos tubos de raios catódicos, por exemplo, imãs são utilizados para deslocar o fluxo de elétrons. A tela brilha assim que elétrons a atingem. Da mesma maneira, os campos magnéticos da Terra desviam as partículas com carga do Sol. Neste experimento, você vai estudar o efeito de um campo magnético sobre diferentes tipos de partículas carregadas.
Habilidades em foco
Observar, fazer previsões, elaborar hipóteses, tirar conclusões, aplicar conceitos.
Procedimento
1 - Inicie o Virtual Physics e selecione The Effect of a Magnetic Field on Moving Charges na lista de experimentos. O programa vai abrir a bancada de física quântica (Quantum).
2 - O experimento está montado sobre a mesa. O canhão de elétrons (Electron Gun), à esquerda da mesa, é a fonte de elétrons. Qual é a carga dos elétrons?
R: Carga eletrica Negativa.
3 - A tela de fósforo (Phosphor Screen), que detecta partículas com carga, está à direita. Ligue a tela de fósfor pertando o botão verde-vermelho (On/Off). O que você observa? O que isso demonstra?
R: Representa o feixe de elétrons incidindo na tela de fósforo. Observe que, se diminuída a incidência deles, esse ponto na tela vai ficar piscando. Isso demonstra que o feixe original de elétrons permanece inalterado, já que o campo magnético está nulo, inicialmente.
4 - Observando: Arraste a janela do laboratório para baixo e para esquerda, e a janela da tela de fósforo para cima e para direita, diminuindo a sobreposição. Aperte o botão (Grid) na tela de fósforo. Ajuste o campo magnético (Magnetic Field) para 30 μT (microtesla), apertando três vezes o botão acima do dígito da dezena (cuidado para não clicar entre os dígitos, isso muda a posição do ponto decimal; para mudar o ponto decimal de volta, clique onde ele estava originalmente). O que acontece com o ponto iluminado na tela de fósforo?
R: O ponto iluminado é transladado para a direita , sabendo que a carga dos elétrons é negativa, podemos inferir que o campo magnético atua na direção vertical.
5 - Fazendo previsões: O que aconteceria com o ponto iluminado se a voltagem dos elétrons emitidos aumentasse? Por quê?
R: As previsões irão variar. O local irá mover para a esquerda porque os elétrons têm mais energia e não vão ser defletidos tanto pelo modificador de campo magnético.
6 - Observando: Aumente a voltagem do canhão de elétrons clicando acima do dígito da centena no visor correto (o segundo da esquerda para a direita). Você não está aumentando o número de elétrons emitidos e sim a energia potencial dos elétrons emitidos. O que acontece com o ponto iluminado na tela de fósforo quando a voltagem é aumentada? Por quê?
R: A mancha se move para a esquerda porque os elétrons não são refletidos tanto pelo modificador de campo magnético, já que eles têm mais energia do que antes.
7 - Fazendo previsões: O que aconteceria com o ponto iluminado se você aumentasse a intensidade do campo magnético que o feixe de elétrons atravessa? Por quê?
R: Quanto maior o campo magnético aplicado, maior será a deflexão sofrida pelo feixe de elétrons no caso de um campo magnético de sinal positivo, conforme as convenções adotadas pelo experimento, a deflexão será para a direita.
8 - Teste sua previsão: Em seguida, clique nos dígitos para zerar o campo magnético, de modo que o ponto iluminado volte à região central da tela de fósforo.
9 - Arraste o canhão de elétrons para o balcão do almoxarifado (Stockroom). Clique no almoxarifado para entrar e clique duas vezes no canhão de elétrons para devolvêlo à prateleira. Clique duas vezes na fonte de partículas alfa (Alpha Source) para selecioná-la ou arraste a para o balcão. Clique na seta verde Return to Lab para voltar à bancada. Arraste a fonte de partículas alfa até a mesa e coloquea onde estava o canhão de elétrons. Clique na fonte de partículas alfa para iniciar a emissão. O que aparece na tela de fósforo? Qual a carga das partículas alfa?
R: Na tela de fósforo, aparece o feixe de partículas alfa que está sendo emitido pela fonte de partículas alfa. A carga das partículas alfa é positiva. Podemos afirmar isso notando que, ao aplicar campos magnéticos suficientemente grandes, as partículas serão defletidas para a esquerda, no sentido oposto àquele em que os elétrons eram defletidos, portanto, a carga das partículas alfa é oposta à carga do elétron.
10 - Mude a unidade do campo magnético de μT para mT (militesla) clicando no botão acima da unidade. Clique três vezes no botão acima do dígito da centena para ajustar o campo magnético para 300 mT. Esse campo magnético é mil vezes mais forte do que o campo magnético utilizado anteriormente com o feixe de elétrons. Para qual direção se deslocou o ponto iluminado na tela de fósforo?
R: Ao zerar o campo magnético externo aplicado, nota-se que o feixe de partículas alfa incide exatamente no centro da tela de fósforo.
Conforme aumentamos a intensidade desse campo, vimos que o feixe de partículas alfa se desloca cada vez mais para a esquerda. Ou seja, quanto maior o campo aplicado, maior a deflexão do feixe de elétrons.
Compare a direção desse movimento com a direção do movimento do feixe de elétrons no campo magnético?
R: Sabendo que a carga do elétron é negativa e que eles são defletidos em determinada direção para a direita, dadas as circunstâncias do nosso experimento, ao observar que as partículas alfa são defletidas na direção oposta, podemos imediatamente inferir que elas possuem uma carga oposta à do elétron, ou seja, positiva.
11 - Elaborando hipóteses: Uma partícula carregada em repouso não seria afetada pelo campo magnético. Então, por que as partículas em movimento são afetadas?
R: Pois a força magnética que atua sobre uma partícula tem sua intensidade diretamente proporcional à carga da partícula, Podemos afirmar tambem que se a partícula está em repouso, tem velocidade nula e, portanto, a força magnética que atuará sobre ela será nula.
12 - Tirando conclusões: Por que é necessário um campo magnético significativamente mais forte para mover as partículas alfa em relação ao feixe de elétrons?
R: Porque a energia das partículas alfa é muito maior do que a dos elétrons, pois elas são maiores tanto em massa quanto em carga
13 - Aplicando conceitos: Quais tecnologias ou aplicações relacionam eletricidade e magnetismo? Descreva o processo físico.
R: O princípio básico de funcionamento da televisão modelos antigos de tubo são deflexões dos feixes de partículas ao serem aplicados campos elétricos e magnéticos. Também, em aparelhos de ressonância magnética, usamos conceitos de eletricidade e magnetismo. Os exemplos são vários, é importante buscar uma discussão a respeito.