Experiência 2 - Filtro de Wien - 7 aulas

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1 Instituto de Física - USP FGE Laboatóio de Física III - LabFlex Estudo de uma patícula em um campo eletomagnético Aula 5 - (Exp 2.1) Filto de Wien Mapeamento de Campo Elético Manfedo H. Tabacniks Alexande Suaide setembo 2007 Expeiência 2 - Filto de Wien - 7 aulas Estuda o movimento de uma patícula em um campo eletomagnético O Seleto de velocidades do tipo filto de Wien? Configuação especial de campo EM? Estudo das popiedades e caacteísticas deste filto? Como as caacteísticas expeimentais influenciam o funcionamento do filto?? Como contona as limitações expeimentiais e como tata um sistema não ideal do ponto de vista teóico? Qual a azão de estuda movimento de patículas em campos EM? λ Uma fação significativa do estudo das patículas subatômicas é feito atavés da análise das suas tajetóias em campos EM. Desde a descobeta do pósiton Até a descobeta de novos estados da matéia nuclea (2007) 1 H, 10 Be, 14 C, 26 Al, 36 Cl, 41 Ca, 55 Fe, 129 I, 182 Hf, 210 Pb, 236 U, Pu, ( 43 Ca 19 F 4 ), (H 2 ) Qual a azão de estuda paticulas em campos EM?? Váias aplicações científicas e páticas Aceleadoes? Pelleton, LAMFI Analisadoes? Espectometo de massa, etc In opeation since 1996, upgaded 2001 Walte Kutschea, ICTP, Miamae-Tieste, 17 Mach

2 O Pincípio básico é conhece a inteação eletomagnética O Pincípio básico é conhece a inteação eletomagnética? Qual é a foça que atua em uma patícula que está imesa em um campo eletomagnético? F = F Elética + F Magnética + F outas? Po simplicidade (faça as contas e veifique) F outas ~ 0? Qual é a foça que atua em uma patícula que está imesa em um campo eletomagnético? F = F Elética + F Magnética? Se o campo elético e magnético são conhecidos F = qe + qv B ( ) = q E + v B e esolve as equações de movimento Como estuda um poblema complexo?? A tajetóia de uma patícula qualque pode se descita esolvendo-se as equações de movimento F = m a? Ou seja, no campo EM: m d v = q E + v B dt ( )? O movimento de uma patícula no campo do filto de Wien pode se bastante complexo Muitas foças envolvidas. Movimento não é unidimensional? Como tona o poblema mais simples? Isola contibuições dos difeentes fenômenos. A compeensão individual de cada um dos fenômenos tona o entendimento do todo mais fácil. OBJETIVOS Estuda e modela um filto de velocidades E x B (Filto de Wien) colimadoes E B F= q E v= B Mapea o campo elético ente 2 placas de um osciloscópio Mapea o campo magnético geado po um solenóide Constui e caliba um seleto de velocidades ( E+ v B) Na pática... tubo de aios catódicos lentes paa foca o feixe de elétons fonte de elétons (filamento) Bobina placas defletoas 2

3 Como estuda um poblema complexo? Metodologia a se adotada? O movimento de uma patícula no campo do filto de Wien pode se bastante complexo Muitas foças envolvidas. Movimento não é unidimensional? Como tona o poblema mais simples? Tenta isola contibuições dos difeentes fenômenos. A compeenção individual de cada um dos fenômenos tona o entendimento do todo mais fácil.? Isola o campo elético Como gea o campo elético Estuda o campo elético geado Do que depende o campo? Qual a intensidade em cada ponto do espaço e como a geometia do poblema altea este campo?? Entende como é o movimento de patículas dento deste campo elético? Como gea estas patículas? Podemos desceve o movimento destas patículas teóicamente? Quais os compomissos adotados e as limitações teóicas e expeimentais? Metodologia a se adotada Metodologia a se adotada? Isola o campo magnético Como gea o campo magnético? Como estuda este campo? Como medí-lo? Do que depende este campo? Podemos entendê-lo teóicamente?? Como é o movimento destas patículas dento deste campo magnético? Podemos desceve este movimento teoicamente? Como faze um expeimento paa testa as hipóteses teóicas? Quais as limitações e apoximações adotadas? Junta e sobepo os campos elético e magnético Liga, simultaneamente, os campos elético e magnético Como se dá o movimento das patículas neste campo? Quais as gandezas que devemos obseva paa compaa com pevisões teóicas? Do que dependem as tajetóias envolvidas? Geometia? Intensidade dos campos? Enegia da patícula incidente? Quais as limitações teóicas e expeimentais? Após entende o filto de Wien, como utilizá-lo em aplicações páticas? Metodologia a se adotada Pecisamos conhece o campo ente as placas? Resumo do expeimento Aula 1 - Entede o campo elético. Medi o campo elético geado e compaa com pevisões teóicas. Quão póximo está o expeimento de uma situação de campo ideal (unifome) Aula 2 - Entende a geação das patículas (elétons) e como elas se movimentam no campo elético estudado na aula anteio? Aula 3 - Entende a geação do campo magnético. Como medí-lo e como compaálo com pevisões teóicas? Aula 4 - Movimento dos elétons no campo magnético geado Aula 5 - Ligando o campo elético e magnético. Estuda o movimento das patículas no campo EM. Detemina compotamentos geais do filto de Wien Aulas 6 e 7 - Estuda em detalhes váios aspectos e aplicações do filto de Wien. Compaa com simulações e identifica limitações.? Como é o campo?? É unifome?? Efeitos de boda?? Supefícies equipotenciais 3

4 Cuba eletolítica bidimensional Y Placas condutoas Equipotenciais A cuba eletolitica bidimensional dv = E d = Ed cosθ dv = Eds s = su Linhas de campo linhas de potencial dv E = u ds ~ R ponta de pova V(x,y) X eletolito (±1 cm) agua de toneia V E V E Vy E y = y V V=cte Vx Ex = x V 1 V 2 V 3 V 4 Método expeimental Gaantindo as condiçõ ções expeimentais? Cuba eletolítica Solução aquosa Colocam-se os eletodos paa simula a configuação de campos a se mapeada Estabelece um ponto de efeência, V = 0? Em geal utiliza-se um dos condutoes Mede-se o potencial em váios pontos. Calcula-se o campo elético a pati do cálculo do gadiente do potencial? Polaização da água Acumulo de íons utiliza tensões altenadas? A cuba é ôhmica? Em AC, a água é azoavelmente ôhmica? A esistência da cuba com solução aquosa é muito meno que a do voltímeto?? E é muito maio que a dos condutoes? R (Ohms) Resistência em função do tempo paa L = 5,1 cm e V = 5 Volts DC AC 60 Hz Coente medida em um esisto de 2k Tempo (s) Medidas expeimentais: Montagem? Monta o cicuito abaixo Lemba de faze em escala em elação ao TRC. Medidas expeimentais: Montagem? Cuidados No máximo 1 cm de água Nivela a cuba 4

5 Medidas expeimentais: fazendo medidas Utiliza o voltímeto Pependicula à cuba Inceteza em posição Espessua da ponta de pova Exploa a simetia Medidas expeimentais: Mapeamento do campo Medi o potencial, na egião de inteesse: (0,5 cm acima e 0,5 cm abaixo da linha de simetia) Há dois métodos de tabalho: Dada a posição, mede-se V(x,y) Busca-se (x,y) tal que V(x,y) = V dado Vy Vx Ey = Ex = y x y x Medidas expeimentais: Equipotenciais Paa entega (17/9)? Medi tês equipotenciais. Medi paes (x,y) mantendo V constante? Gáfico de campo em função da posição x decomposto em Ex e Ey. Indica no gáfico onde começam e teminam os eletodos. Gáfico de E x em função de x ao longo do cento ente as duas placas Gáfico de E y em função de x ao longo do cento ente as duas placas? Gáfico bi-dimensional das equipotenciais Lemba de desenha os eletodos Desenha também as linhas de campo y x 5