El tubo de rayos catódicos fue una curiosidad científica descubierta a finales del siglo XIX, y un pilar de la tecnología de visualización a finales del XX. Ahora sabemos que los misteriosos «rayos catódicos» son en realidad electrones, y podemos usar imanes para doblar su trayectoria.
Aparato
Este experimento obviamente requiere un tubo de rayos catódicos lleno de gas que brilla cuando los electrones lo golpean. El CRT ideal está encerrado por bobinas de Helmholtz para permitir la aplicación de un campo magnético variable. En ausencia de bobinas de Helmholtz, un imán de neodimio fuerte debería ser suficiente para doblar el haz de electrones.
Además de un tubo de rayos catódicos, es probable que necesites una cámara sensible para mostrar a tu audiencia los resultados de este experimento. Los haces de electrones son demasiado tenues para que cualquier cosa, excepto una audiencia muy pequeña, pueda verlos directamente, ¡y también son un desafío para los equipos de video! Probablemente será necesaria una cámara con modo nocturno o control manual sobre la ganancia (o ISO) y la velocidad de obturación.
Si no tiene un tubo de rayos catódicos, un televisor o monitor de computadora CRT antiguo y un imán fuerte proporcionarán una versión más cualitativa de esta demostración.
Las manifestaciones
tubo de rayos Catódicos
- apagar las luces y encender la cámara si está usando uno.
- Aumente la energía del haz de electrones hasta que el gas dentro del globo brille claramente.
- Si su CRT no tiene bobinas de Helmholtz, simplemente mueva el imán de neodimio cerca del CRT para mostrar la flexión del haz. Es posible que tenga que hacer esto con bastante lentitud si la cámara está configurada a una velocidad de fotogramas baja para aumentar su sensibilidad a la luz baja.
- Si su CRT tiene bobinas Helmholtz, aumente la corriente en ellas hasta que la viga se doble.
- Habiendo curvado la trayectoria del haz, aumente la energía aún más y muestre que la curvatura disminuye con el aumento de la energía de los electrones.
- Aplique un campo magnético más alto para demostrar que la curvatura se puede aumentar de nuevo aumentando la intensidad del campo magnético.
CRT TV/monitor + imán
- Obtener una imagen en la televisión o la pantalla del ordenador. Si es una pantalla de computadora, simplemente conectarla a una computadora portátil debería funcionar. Para un televisor, muchas videocámaras y cámaras fotográficas digitales tendrán una conexión S-video, componente o compuesta; las videocámaras más antiguas pueden tenerlas directamente, pero las videocámaras o cámaras digitales más nuevas pueden tener un cable a medida que se conecta a un conector mini-USB o similar en la cámara y se alimenta a varios tipos de conectores para insertarlos en el televisor. Una imagen o video relativamente quieto y brillante hace que el efecto que estamos a punto de observar sea más fácil de distinguir.
- Coloque el imán fuerte cerca de la pantalla del TELEVISOR. La imagen se deformará y aparecerán rastros de color.
- Si la distorsión y los colores permanecen después de quitar el imán del televisor, apagarlo y encenderlo de nuevo debe forzar el televisor a «degauss», lo que solucionará el problema, lo que se manifiesta en el toque distintivo que a menudo acompaña al encendido de un CRT. A veces, a menudo después de un ciclo repetido, el televisor no puede degauss. En este caso, apáguelo, déjelo por un corto período de tiempo y enciéndalo de nuevo.
Estadísticas vitales
velocidad de un electrón acelerado a través de 1 V:
600 km/s
fuerza de los imanes de flexión LHC:
8.36 T
Cómo funciona
La clave aquí es que los campos magnéticos doblarán la trayectoria de una carga móvil partícula, y podemos hacer uso de este efecto para controlar un haz. ¡Crucial para la Aceleración! receta, se necesita un campo magnético más grande para doblar una partícula que se mueve más rápido.
En el tubo de rayos catódicos, los electrones son expulsados del cátodo y acelerados a través de un voltaje, ganando unos 600 km/s por cada voltio por el que se aceleran. Algunos de estos electrones que se mueven rápidamente chocan contra el gas dentro del tubo, haciendo que brille, lo que nos permite ver la trayectoria del haz. Las bobinas de Helmholtz se pueden usar para aplicar un campo magnético cuantificable al pasar una corriente conocida a través de ellas.
Una representación esquemática de un televisor CRT en sección transversal.
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Un campo magnético hará que una fuerza actúe sobre los electrones que es perpendicular tanto a su dirección de desplazamiento como al campo magnético. Esto hace que una partícula cargada en un campo magnético siga una trayectoria circular. Cuanto más rápido sea el movimiento de la partícula, mayor será el círculo trazado para un campo dado o, por el contrario, mayor será el campo necesario para un radio de curvatura dado del haz. Hacer este punto cuantitativo es imposible sin control sobre la energía de las partículas y el campo magnético, por lo que esto deberá indicarse si su demostración no tiene ambos.
En el caso del televisor CRT, las trayectorias de los electrones están distorsionadas por el imán que se acerca a la pantalla. La imagen en la pantalla depende de que los electrones golpeen con precisión los fósforos en la parte posterior de la pantalla, que emiten diferentes colores de luz cuando se impactan. Los electrones se ven obligados a aterrizar en el lugar equivocado, causando la distorsión de la imagen y de los colores psicodélicos.