(R4)Descargas eletricas em gases raro efeito-Guilherme

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Universidade Federal de Jataı́
(R4)Descargas elétricas em gases raroefeito
Aluno: Guilherme do Nascimento Ferreira
Professor: Alexandre Pancotti
Jataı́, Março de 2021
CleriadeLourdes
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10,0
CleriadeLourdes
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Conteúdo
1 Introdução 2
2 Fundamentação teórica 2
2.1 Descargas elétricas e raios catódicos . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 Tubo de Geissler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.3 Aspecto da descarga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
3 Objetivos 5
4 Procedimento experimental 5
4.1 Materiais utilizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
4.2 Realização do experimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
5 Resultados e discussão 6
6 Conclusão 9
1 Introdução
Utilizando uma ampola de Crookes, isto é, tubos de vidro fechados com um
eletrodo positivo e outro negativo, contendo gases a pressões extremamente bai-
xas; o cientista inglês Joseph John Thomson (1856-1940) fez uma descoberta
imprescindı́vel para a evolução do modelo atômico.
Ele submeteu estes gases a voltagens elevadı́ssimas, desse modo foi possı́vel
observar o aparecimento de emissões, que foram denominadas raios catódicos.
Em seguida, foi colocado um campo elétrico externo e, por fim, verificou-se que
o feixe de raios catódicos era desviado, sempre indo na direção e sentido da placa
carregada positivamente. Portanto, estas emissões possuı́am cargas negativas.
Outro ponto importante é que não importava o gás utilizado, sempre ocorria
o mesmo; assim Thomson chegou à conclusão lógica de que estas cargas negati-
vas estavam presentes em toda e qualquer matéria, eram parte integrante destas.
Desse modo, provou-se que, ao contrário do que Dalton havia afirmado, o átomo
não era indivisı́vel, pois possuı́a uma partı́cula subatômica negativa, que ficou
denominada elétron.
Sequencialmente, em 1886, outro cientista, de nome Eugen Goldstein, desco-
briu os raios anódicos ou canais, que eram raios carregados positivamente, for-
mados pelo que sobrou dos átomos do gás que teve seus elétrons arrancados pela
descarga elétrica. Sabia-se que estes raios possuı́am carga positiva porque eram
desviados na direção oposta da dos raios catódicos, ou seja, eram atraı́dos pela
placa negativa.
Descobriu-se então que o átomo também possuı́a uma parte positiva, o que
inclusive era necessário para manter sua neutralidade elétrica. Desse modo, J. J.
Thomson propôs um novo modelo para o átomo, apelidado de “pudim de passas”
ou “pudim de ameixas”. Seria uma esfera de carga positiva, não maciça, incrus-
tada de elétrons (negativos), de modo que sua carga elétrica total é nula. [1].
2 Fundamentação teórica
Durante as três primeiras décadas do século XIX, os estudos de correntes
elétricas em sólidos resultaram em grandes avanços, como a descoberta da lei de
Ohm, as regras de Kirchhoff e a lei de Ampère. No inı́cio dos anos 1830 Michael
Faraday realiza trabalhos sobre a condução da eletricidade em lı́quidos, e desco-
bre as leis da eletrólise. Logo depois ele passa a estudar as descargas elétricas em
gases rarefeitos.
Exemplos modernos dessa tecnologia são as lâmpadas de néon e as lâmpadas
fluorescentes [2].
2
2.1 Descargas elétricas e raios catódicos
A primeira descarga elétrica a ser conhecida e a mais espetacular foi o relâmpago.
É conhecido o experimento de Benjamin Franklin com pipas; foi ele a propor que
eletricidade fosse constituı́da de um único tipo de fluido. Mas o relâmpago é tão
esporádico e incontrolável, que seu estudo pouco poderia revelar a respeito da
eletricidade. Mas já no século XVIII, uma espécie mais controlada de descarga
elétrica foi se tornando acessı́vel para o estudo cientı́fico.
Em 1709 Hauksbee observou que, quando o ar dentro de um tubo de vidro era
bombeado, até que sua pressão se tornasse cerca de 1/60 da pressão atmosférica,
e o tubo fosse conectado a uma fonte de eletricidade estática obtida por fricção,
uma luz estranha era vista dentro do tubo. Feixes de luz similar já haviam sido
observados em barômetros de mercúrio com vácuo parcial.
Em 1748 Watsondescreveu a luz em um tubo de 32 polegadas no vácuo como
uma centelha. A natureza dessa luz não foi compreendida inicialmente, mas
hoje sabemos que é um fenômeno secundário. Quando uma corrente elétrica flui
através de um gás, os elétrons se chocam com os átomos do gás e transferem parte
de sua energia, a qual é, então, re-emitida como luz. Hoje as lâmpadas fluores-
centes e de letreiros de néon são baseados no mesmo princı́pio, com suas cores
determinadas pela cor da luz que é preferencialmente emitida pelos átomos dos
respectivos elementos: laranja para o néon, rosa claro para o hélio, verde azu-
lado para o mercúrio, etc. A importância do fenômeno para a história da ciência
elétrica está, entretanto, não na luz das descargas elétricas, mas na corrente elétrica
em si. O estudo das descargas elétricas em gases foi um salto na direção correta,
mas mesmo com 1/60 da pressão atmosférica o ar interfere muito com o fluxo de
elétrons para permitir que sua natureza fosse descoberta. O progresso real tornou-
se possı́vel, somente quando o gás pôde ser removido e os cientistas puderam
estudar o fluxo de eletricidade pura através do espaço quase vazio.
Johann H. Geissler inventou uma bomba que usava colunas de mercúrio como
pistões. Esta bomba possibilitou fazer vácuo em um tubo de vidro até que a
pressão se tornasse 1/10000 da pressão do ar no nı́vel do mar. Esta bomba foi
usada entre 1858-59 em uma séria de experimentos sobre a condução da eletri-
cidade em gases a baixa pressão, por Julius Plücker. Ele usou placas de metais
em um tubo de vidro, conectado por fios a uma poderosa fonte de eletricidade.
(Seguindo a terminologia de Faraday, a placa ligada à fonte positiva de eletrici-
dade é chamada anodo e a placa ligada à fonte negativa de eletricidade é chamada
catodo).
Plücker observou que , quando quase todo ar era evacuado do tubo, a luz de-
saparecia, mas uma luminosidade esverdeada aparecia perto do catodo. A posição
da luminosidade parecia não depender da posição do anodo. Parecia que algo
saı́a do catodo, atravessava o espaço quase vazio no tubo, batendo no vidro sendo,
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então, coletado no anodo. Poucos anos mais tarde, Eugen Goldstein introduziu
um nome para esse fenômeno misterioso “Cathodenstrahlen” ou, em Português,
raios catódicos. Hoje se sabe que esses raios são elétrons projetados do catodo,
por repulsão elétrica; eles batem no vidro, depositando energia nos seus átomos.
Estes átomos excitados pela energia recebida se desexcitam emitindo luz visı́vel.
Mas isso estava longe de ser óbvio para os cientistas do século XIX.
Plücker também observou que a posição da luminosidade na parede do tubo
podia ser deslocada por um magneto perto do tubo. Como veremos, era um sinal
que os raios eram formados por partı́culas carregadas de alguma espécie. J.W.
Hittor, estudante de Plücker, observou que corpos sólidos , colocados próximos
ao pequeno catodo, produziam sombra nas paredes do tubo.
A partir daı́, ele deduziu que os raios trafegam a partir do catodo em linhas
retas. O mesmo fenômeno foi observado em 1878-79 pelo fı́sico inglês Sir Wil-
lam Crookes , que concluiu que os raios eram moléculas de gás ionizado dentro
do tubo. Para Crookes, os raios catódicos eram moléculas carregadas, as quais
constituiam o quarto estado da matéria (essa denominação é hoje usada quando
nos referimos ao plasma, que é exatamente o que se tem quando se produz uma
descarga elétrica num gás rarefeito!).
A teoria de Plücker foi efetivamente refutada por Goldstein, que notou que,
em um tubo de raios catódicos, evacuado em um 1/100.000 da pressão normal,
os raios trafegam pelo menos 90cm, enquanto o caminho livre de uma molécula
ordinária no ar, nessa pressão, é de cerca de 0,6 cm[2].
2.2 Tubo de Geissler
As descargas elétricas nos gases rarefeitos são estudadas nos tubos de Geissler.
São tubos de vidro alongados de uns 50 centı́metros de comprimento, nos quais se
introduzem dois eletrodos. Por meio de uma bomba de vácuo pode-se extrair, aos
poucos, o ar desse tubo, de maneira a deixar no interior o ar com a pressão que se
quer. Também se pode extrair todo o ar, e colocar no tubo um outro gás, como por
exemplo, neon, argônio, hidrogênio, etc [2]...
É importante frisar que num tubo de Geissler há gás a uma determinada pressão
(não há vácuo), observe a figura abaixo.
2.3 Aspecto da descarga
Aplicamos entre os eletrodos uma diferença de potencial elevada (ver figura
acima), de alguns milhares de volts.
Com essa diferença de potencial, se o gás tiver a pressão alta, da ordem de
uma atmosfera, não há passagem de corrente pelo gás. Se formos diminuindo a
pressão, quando ela atingir uns 40 mm Hg, então começa a descarga. Realizando
4
Figura 1: Exempro de um tubo de Geissler
a experiência numa câmara escura notamos que a essa pressão aparece entre os
dois eletrodos uma luz, que fica ondulando entre êles. À medida que vamos dimi-
nuindo a pressão, notamos que o aspecto dessa luminosidade vai se modificando,
não só na forma geométrica da onda luminosa como também nas cores das luzes.
As cores das luzes emitidas dependem de dois fatores:
1 - a pressão do gás;
2 - a natureza do gás.
3 Objetivos
- Estudar o fenômeno da descarga elétrica em gases rarefeitos.
4 Procedimento experimental
4.1 Materiais utilizados
- 01 Tubo de Geissler;
- 01 bomba de vácuo;
- 02 eletrodos;
- 01 Multimetro;
- Cabos.
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4.2 Realização do experimento
No tudo de Geissler, aplicando entre os eletrodos uma diferença de potencial
elevada, de alguns milhares de volts. Com essa diferença de potencial, o gás em
pressão alta, da ordem de uma atmosfera, não há passagem de corrente pelo gás.
Retirando o ar com uma bomba de vacuo e adicionado gases como por exem-
plo, neon, argônio, hidrogênio.
Ao diminuindo a pressão, quando ela atingir uns 40 mm Hg, então começa
a descarga e assim é possivel ver a descaga dentro do tubo. Realizando a ex-
periência numa câmara escura foi percebido que a essa pressão aparece entre os
dois eletrodos uma luz, que fica ondulando entre êles. À medida que se diminui
a pressão é notado que o aspecto dessa luminosidade vai se modificando, não só
na forma geométrica da onda luminosa como também nas cores das luzes, que ao
diminuir a pressão vai ficando mais intensa.
5 Resultados e discussão
1. Dado o esquema abaixo relativo a uma ampola de Geissler, explique cada
um dos espaços demarcados.
R : Cátodo : é o eletrodo no qual há redução (ganho de elétrons). É o polo
positivo da pilha.
Ânodo : é o eletrodo no qual há oxidação (perda de elétrons). É o polo nega-
tivo da pilha.
Espaço negro de Faraday : Seguindo a terminologia de Faraday, a placa ligada
à fonte positiva de eletricidade é chamada anodo e a placa ligada à fonte negativa
de eletricidade é chamada catodo. Plücker observou que , quando quase todo ar
era evacuado do tubo, a luz desaparecia, mas uma luminosidade esverdeada apa-
recia perto do catodo.
Espaço e intervalos negros de Crookes : s Sir Willam Crookes , que concluiu
que os raios eram moléculas de gás ionizado dentro do tubo. Para Crookes, os
raios catódicos eram moléculas carregadas, as quais constituiam o quarto estado
da matéria (essa denominação é hoje usada quando nos referimos ao plasma, que
é exatamente o que se tem quando se produz uma descarga elétrica num gás rare-
feito.
Pontos azuis : Raios trafegam a partir do catodo em linhas retas.
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2. Fazendo-se uma aproximação para um gás ideal podemos dizer que o livre
percurso médio dos elétrons no interior da ampola de Geissler (preenchido com
N2) é dado por:
L =
RT
PN0πr2
√
2
(1)
Fazendo o calculo de unidade internacional temos que:
L = 6,232cmx10
−3.m3/mol.K
(6,02x1023 átomos/mol)π(1,5x10−10m)2
√
2
(TP )
L = 0, 000103(TP )
cm.10−3.m3
m2K
L = 1, 04x10−5(TP )
cm2
K
L = 1, 04x10−4[T/P]cm
3. Considerando a aproximação realizada na questão 2. Foi preenchida a
tabela abaixo:
Tabela 1: Analise de variação, cor vermelha
L (cm) T(oC) P (mm de Hg)
0,0208 20 0,01
0,0208 40 0,02
0,0173 50 0,03
0,01248 60 0,05
0,0091 70 0,08
0,0064 80 0,13
0,0044 90 0,21
0,0031 100 0,33
0,00056 150 2,77
0,00021 180 8,52
0,00012 200 16,94
9, 31x10−5 210 23,45
7
A partir desta tabela extrai-se o gráfico que apresenta uma curva mostrando
o valor de L(cm) x P(mm Hg), e que é denominado como curva media do livre
percuso do eletron no interio da ampola de Geissler, observe abaixo:
Figura 2: Curva L(cm) x P(mm Hg)
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6 Conclusão
Portanto, observando a tabela, vemos que quanto maior a temperatura, maior
a pressão, porém o comprimento fica menor, muito menor. Analisando o grafico
obsevamos essa analise, quanto maior a pressão menor o L e quanto maior o L,
menor a pressão...
No experimento foi possivel também ver que, ao diminuir a pressão a coloração
dentro do tubo fica mais intensa.
Referências
[1] https://brasilescola.uol.com.br/quimica/o-experimento-thomson-com-
descargas-eletricas
[2] Alexandre Pancotti, Experiências de Laboratório de Fı́sica Moderna CURSO
DE FÍSICA, 2015
9
	Introdução
	Fundamentação teórica
	Descargas elétricas e raios catódicos
	Tubo de Geissler
	Aspecto da descarga
	Objetivos
	Procedimento experimental
	Materiais utilizados
	Realização do experimento
	Resultados e discussão
	Conclusão