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Raios Catódicos

A propriedade de produzir fluorescência a partir de certos materiais tornou os tubos de raios catódicos a base técnica de televisores e outros aparelhos, como osciloscópios e telas de radar.

Raios catódicos são radiações compostas de elétrons que se originam no interior de tubos cheios de gás rarefeito (tubos de Crookes) e submetidos a uma diferença de potencial elétrico entre suas extremidades metálicas, ou pólos. Os elétrons emergem do pólo positivo do eletrodo, chamado catodo, e se propagam na forma de um feixe de partículas negativas.

A pesquisa dos raios catódicos teve início em 1838, quando Michael Faraday começou a estudar as descargas elétricas em gases submetidos a baixas pressões. A pesquisa alcançou maior desenvolvimento depois que o alemão Heinrich Geissler conseguiu construir tubos de vidro selados que continham eletrodos de metal. Com esses tubos, o matemático e físico alemão Julius Plücker realizou, em 1858, uma série de experiências. Plücker notou que, próximo ao catodo, formava-se uma luminescência de cor verde e, mais ainda, que sua posição variava com a proximidade de campos magnéticos.

Estudos posteriores realizados pelo físico alemão Eugen Goldstein mostraram que a luminosidade era provocada por raios que partiam do catodo e atravessavam o tubo em linha reta, em direção perpendicular à superfície do catodo. Por essa razão, Goldstein chamou essas radiações de raios catódicos. Com base na descoberta de Goldstein foram construídos, mais tarde, catodos côncavos com a finalidade de produzir raios dirigidos e concentrados, fundamentais na realização de numerosas experiências.

Por volta de 1878, William Crookes concluiu que os raios catódicos são formados de feixes de partículas com carga negativa, emitidas do catodo com velocidade muito alta. O fato foi comprovado em 1879 pelo físico Joseph John Thomson, que demonstrou serem as radiações desviadas pela ação de campos elétricos.

Os raios catódicos produzem ionização nos gases que atravessam, causam fluorescência nas paredes de vidro dos tubos de Crookes e em algumas substâncias como o sulfato de zinco. Além disso, têm baixo poder de penetração, aquecem as superfícies sobre as quais incidem e são independentes da natureza do gás existente no tubo.
 

Fonte: biomania.com

Raios Catódicos

A luminescência esverdeada que aparece na parede do tubo de Crookes sempre aparece no lado oposto ao catodo, em frente a este. Mudando-se a posição do catodo e a do anodo, de todas as maneiras possíveis, ela sempre aparece em frente ao catodo. Concluímos então que a luminescência é produzida por alguma coisa que sai do catodo, atravessa o tubo, e se choca com a parede de vidro. Quando este fenômeno foi descoberto, deu-se o nome muito vago de raios catódicos a essa coisa que sai do catodo, isso porque sua natureza era inteiramente desconhecida.

a. Natureza dos raios catódicos

Depois de alguns anos que os raios catódicos foram descobertos, o estudo de suas propriedades mostrou claramente que eles são constituídos de partículas que possuem carga elétrica e massa mecânica muito pequenas. Observou-se também que essas partículas são todas iguais, independentemente do metal do que é feito o catodo ou o anodo. Concluiu-se então, que essas partículas emitidas pelo catodo entram na constituição de todos os corpos. Elas foram chamadas elétrons.

Resumo


Os raios catódicos são elétrons, que são arrancados do catodo por causa da diferença de potencial existente entre o catodo e o anodo, e são atraídos pelo anodo.

b. Propriedades dos raios catódicos

1a) Produzem luminescência nos corpos com que se chocam, como por exemplo, na parede do tubo. Foi esta propriedade que permitiu sua descoberta.

A emissão dessa luz se explica do seguinte modo: os elétrons que constituem os raios catódicos, quando encontram o vidro, possuem grande energia cinética. Com o choque, eles perdem essa energia cinética, comunicando energia aos elétrons dos átomos do vidro; estes elétrons são então acelerados. E já sabemos que uma carga elétrica acelerada emite onda eletromagnética. Os elétrons do vidro emitem então, onda eletromagnética cujo comprimento de onda está nos limites da luz, isto é, onda eletromagnética visível. (Veja o capítulo 18 de Eletricidade).

2a) Propagam-se com grande velocidade, que varia desde um limite inferior de uns 100 Km/seg até um limite superior próximo da velocidade da luz (300.000 Km/seg). A velocidade é maior quanto maior for a diferença de potencial aplicada entre o anodo e o catodo.

3a) Propagam-se aproximadamente em linha reta. Costuma-se demonstrar esta propriedade construindo-se um tubo de Crookes em que o anodo seja uma cruz. Quando o tubo funciona em uma câmara escura nota-se na parede do tubo a sombra da cruz, indicando que os elétrons se propagam aproximadamente em linha reta; os que foram barrados pela cruz produziram sua sombra. A figura a é fotografia de um desses tubos. A figura b é fotografia de um desses tubos funcionando; esta fotografia foi tirada em uma câmara escura, com a própria luz emitida pela parede do tubo devido ao choque dos raios catódicos.

Raios Catódicos

Esta propriedade também pode ser demonstrada com o tubo da figura abaixo. O catodo é o círculo central, e há dois anodos: um é a estrela, o outro é um disco com falta de uma estrela no meio. Quando o tubo funciona numa câmara escura, se nota, no lado direito a sombra da estrela; no lado esquerdo, uma estrela luminosa, produzida pelos raios catódicos que passaram pela parte central do disco.

Raios Catódicos

4a) Atravessam pequenas espessuras de materiais. Por exemplo, a cruz da figura a seguir deve ter de 1 a 2mm de espessura, senão é atravessada pelos elétrons.

Raios Catódicos

5a) Para demonstrar que os raios catódicos são constituídos de partículas que possuem energia cinética, constrói-se um tubo que tenha, entre o anodo e o catodo, uma hélice que possa girar facilmente. Quando o tubo funciona, a hélice é empurrada do catodo para o anodo, devido ao impacto dos raios catódicos. A figura abaixo é fotografia de um desses tubos, em que a hélice é feita de vidro.

Raios Catódicos

6a) São desviados por um campo elétrico ou por um campo magnético. Por um campo elétrico, porque os elétrons, tendo carga elétrica, ficam sujeitos à força nesse campo. Por um campo magnético, porque os elétrons em movimento constituem uma corrente elétrica; e já sabemos que uma corrente elétrica é sujeita a forças num campo magnético.
O desvio dos raios catódicos nos campos elétricos e magnéticos sugeriu um método para a medida da carga elétrica e da massa do elétron.

c. Aplicações dos raios catódicos

Os raios catódicos permitiram a descoberta do elétron, fato que constituiu a origem da Física Atômica. Eles permitem a medida da carga elétrica e da massa do elétron, que são dados muito importantes para a Física moderna. Na indústria e na técnica suas aplicações crescem dia a dia. Assim, a imagem fornecida pelos aparelhos de televisão é dada por um tubo de raios catódicos.

Nota

Insistimos com o leitor para que fixe a diferença entre uma descarga elétrica num gás à baixa pressão e descarga no vácuo. No gás à baixa pressão, há um número relativamente grande de moléculas, de maneira que a descarga é formada pelo movimento de íons do gás para o catodo, e elétrons para o anodo, conforme foi descrito no tópico "Condições para que um Gás seja Condutor - Ionização". Durante a ionização do gás se produz luz, e é por este motivo que nessas descargas há um feixe luminoso do anodo ao catodo (tubos de Geissler).

Raios Catódicos

Tubos de Geissler
Mas, na descarga no vácuo, o número de moléculas de gás que restam no interior do tubo é insignificante, de maneira que o número de íons formados também é insignificante, e não chega a se formar a corrente de íons como no caso anterior. Neste caso, a corrente elétrica no interior do tubo é constituída somente por elétrons que são arrancados do catodo e atraídos pelo anodo, isto é, raios catódicos. E como não há formação de íons, não há produção de luz no interior do tubo, e não há feixe luminoso entre o catodo e o anodo. (Tubo de Crookes).

Resumo


Na descarga no vácuo as moléculas de gás que restam no interior do tubo são tão poucas, que não participam da descarga. Esta é formada só pelos elétrons dos raios catódicos.

Fonte: efisica.if.usp.br

Raios Catódicos

Por volta de 1887 um cientista inglês chamado Joseph John Thomson fez experiências com tubo de raios catódicos, e concluiu que os raios catódicos são na verdade, constituídos pelo fluxo de partículas menores que o átomo e dotadas de carga elétrica negativa. Estava descoberto o elétron.

Tubos de raios catódicos: São tubos de vidro que contém nas duas pontas extremidades metálicas (chamadas de eletrodos) ligadas a uma bateria. Quando a pressão dentro desse tubo é diminuída, o gás entre os eletrodos transmite certa luminosidade (Você verá um tubo desses se olhar para a lâmpada fluorescente, que tem na sua casa ou escola), mas quando abaixarmos muitíssimo a pressão (cerca de 100mil vezes a pressão ambiente) a luminosidade desaparece, restando apenas uma mancha luminosa atrás do pólo positivo (chamado de raio catódico). Obs: Os raios catódicos são formados independentes do tipo de gás utilizado.

O tubo de raios catódicos consiste em produzir uma descarga elétrica, através de um gás em baixa pressão, aplicando-se uma grande diferença de potencial entre os dois eletrodos colocados dentro do mesmo. Quando o gás do tubo for conservado a uma pressão menor que a milésima parte da pressão atmosférica, não são mais observados os efeitos visíveis dentro do tubo, mas é percebida uma mancha luminosa na parede do tubo diretamente oposto ao catodo.

A aproximação de um imã perto do feixe luminoso provoca a sua deflexão, permitindo conhecer a sua carga elétrica.
 

Fonte: www.fis.unb.br

Raios Catódicos

Raios Catódicos

Na metade do século XIX o Físico alemão J. Plücker descobre que, aplicando alta tensão em dois eletrodos num gás a baixa pressão, contido em um tubo de vidro, produzia-se uma descarga luminosa. Esta experiência foi precursora da moderna espectroscopia, das lâmpadas fluorescentes atuais e de todos os modernos tubos de raios catódicos. As descobertas de Plücker foram possíveis graças ao aperfeiçoamento das bombas de vácuo feitas pelo seu vidreiro e colaborador H. Geissler. Geissler aperfeiçoou os tubos de descarga de Plücker e deu início a uma indústria de lâmpadas ornamentais. Paralelamente, o físico inglês William Crookes aperfeiçoou ainda mais as bombas de vácuo, alcançando pressões da ordem de 10-5 torr, dando um novo impulso às investigações científicas dos raios catódicos. As inovações introduzidas por Crookes nos vários modelos de Tubos de Raios Catódicos desenvolvidos por ele levaram às descobertas da Física  Moderna, como o Elétron e Raio X, bem como toda a moderna tecnologia baseada nos TRC.

Raios Catódicos

Podemos entender melhor o que acontece num Tubo de Raios Catódicos (em inglês Cathode Ray Tube ou CRT) se
supusermos a existência de uma partícula muito pequena que carrega  uma carga negativa, o elétron, presente em todos os materiais. Nos materiais isolantes todos os elétrons estão fortemente ligados aos orbitais moleculares. Nos metais e demais materiais condutores há os elétrons da banda de condução, que estão quase livres para circular ao longo domaterial. Estes elétrons são os
responsáveis pela condutividade elétrica destes materiais. Aoaplicarmos uma tensão entre o catodo e o anodo, estes elétrons são atraídos para o anodo, saindo do catodo (este é
o motivo pelo qual foram denominadas de raios catódicos). O  estudo dos Tubos de Raios Catódicos e a Descoberta do elétron deu a Phillipe Lenard em 1905 e a J. J. Thomson em 1906 o Prêmio Nobel de Física.

No Tubo de Raios Catódicos os elétrons (pequenas partículas com carga elétrica negativa) são atraídos pelo pólo positivo (ânodo), emergindo do pólonegativo (cátodo), por isso sendo chamados de Raios Catódicos.
J.J. Thomson mostrou que estas partículas estão presentes em todas as substâncias, sendo um das partículas fundamentais constituintes do átomo.Thomson propôs no seu artigo de 1897 o primeiro
modelo atômico, conhecido como o Modelo do Pudim de Passas.

Raios Catódicos

Um fator importante é que estas descoberta somente foram possíveis graças ao desenvolvimento tecnológico e industrial do século XIX. Somente nesta época é que foi possível se produzir um vidro com consistênciahomogênea que suportasse uma diferença de pressão da ordem de uma atmosfera. O aperfeiçoamento das bombas de vácuo possibilitou a produção das baixas
pressões necessárias para a operação dos tubos de raios catódicos.

Embora também a eletricidade na sua forma estática já fosse conhecida há séculos, apenas há poucas décadas se conseguia produzir correntes constantes ou com
variabilidade determinada (indústria elétrica). São desta época a invenção da bateria de Volta e da pilha de LeClanché.

Por fim, o advento das bobinas de alta tensão tiveram papel fundamental para a produção das tensões necessárias para o funcionamento dos tubos. O perfeiçoamento das bobinas de indução, feito pelo alemão Heinrich Ruhmkorff, podia fazer com que fossem produzidas centenas de milhares de volts de tensão.

Hoje encontramos os Tubos de Raios Catódicos em várias aplicações: os tubos de televisão, monitores de computador, radar, ecografia, lâmpadas fluorescentes, válvulas em amplificadores valvulados, aparelhos de raios X. Vale lembrar que os atuais aceleradores de partículas e microscópios eletrônicos também são um aperfeiçoamento tecnológico dos TRC.

Referência das imagens:

http://www.sparkmuseum.com/GLASS.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/Cathode_ray_tube
http://inventors.about.com/library/inventors/blcathoderaytube.htm

Fonte: www.ufrgs.br

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