Universidad Nacional de Trujillo. Septiembre 2014

ESPECTRO DE UN CARBÓN INCANDESCENTE CON UNA REJILLA DE DIFRACCIÓN.

De la Cruz López, Luis A.Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Laboratorio de Óptica y Láser

Universidad Nacional de Trujillo, Av. Juan Pablo II S/N, Trujillo, La Libertad, Perú

RESUMEN

En esta práctica experimental se muestra el espectro de la luz emitida por un par de cambones incandescentes cargados, estos fueron conectados a una fuente de alto voltaje (la cual emite una diferencia de potencial del orden de los kV), la interacción de estos dos carbones (cuerpos negros) cargados ioniza el aire por lo que en las puntas de estas se genera un plasma la cual puede llegar a temperaturas muy altas (3000°C aproximadamente), la luz emitida por este también es muy intensa lo que dañaría la visión de verlo sin protección.

El objetivo de esta práctica es encontrar las distintas longitudes de onda (λ) emitidas por la luz incandescente de los cambones, para lo cual se emplean una serie de instrumentos y materiales que previenen que la luz nos dé directamente, este consta de un casco con una lente pequeña que permite la salida de luz, la cual será estudiada pasándola por una rejilla de difracción del orden de 1150 líneas/mm, este último hace que la luz emitida difracte distintos espectros que, dependiendo de su longitud de onda, tienen un color característico.

Palabras Clave: Difracción, espectros.

INTRODUCCIÓN

DIFRACCIÓN

En física, la difracción es un fenómeno característico de las ondas, éste se basa en el curvado y esparcido de las ondas cuando encuentran un obstáculo o al atravesar una rendija. La difracción ocurre en todo tipo de ondas, desde ondas sonoras, ondas en la superficie de un fluido y ondas electromagnéticas como la luz y las ondas de radio.

Imagen 1- Difracción

También sucede cuando un grupo de ondas de tamaño finito se propaga; por ejemplo,

por causa de la difracción, un haz angosto de ondas de luz de un láser debe finalmente divergir en un rayo más amplio a una cierta distancia del emisor.

La interferencia se produce cuando la longitud de onda es mayor que las dimensiones del objeto, por tanto, los efectos de la difracción disminuyen hasta hacerse indetectables a medida que el tamaño del objeto aumenta comparado con la longitud de onda.

En el espectro electromagnético los Rayos X tienen longitudes de onda similares a las distancias interatómicas en la materia. Es posible por lo tanto utilizar la difracción de rayos X como un método para explorar la naturaleza de la estructura cristalina. La difracción producida por una estructura cristalina verifica la ley de Bragg.

1

Universidad Nacional de Trujillo. Septiembre 2014

Debido a la dualidad onda-corpúsculo característica de la mecánica cuántica es posible observar la difracción de partículas como  neutrones o electrones. [1]

Imagen 2- Modelo de dispersión

GRAFITO COMO CONDUCTOR DE CORRIENTE

Los Electrodos de Grafito son utilizados en aplicaciones específicas donde se requiera un nivel elevado de exigencia técnica para estos materiales, se pueden surtir en láminas, placas, barras, etc. Para usarse ya sea como ánodos de grafito o como cátodos de grafito. 

Estamos familiarizados con los electrodos de grafito en cámaras de arcos eléctricos, los electrodos de grafito se utilizan en lámparas de descarga. De hecho, la primera lámpara incandescente se produjo no con filamentos de tungsteno sino con filamentos hechos de carbono. Las escobillas de carbono se utilizan aún hoy en día para establecer contactos eléctricos con los segmentos conmutadores en máquinas de corriente continua. Se llaman escobillas porque sus predecesores estaban de hecho fabricadas de cobre trenzado y parecían pequeños cepillos. Pero el grafito tiene mejores propiedades de lubricación que el cobre. [2]

Imagen 3- Grafito como conductor eléctrico.

LAMPARA DE ARCO ELECTRICO

Podemos emplear una batería para hacer chispas uniendo los cables de ambos polos Para iniciar un arco se ponen en contacto, brevemente, los extremos de dos electrodos, usualmente en forma de lápiz, por lo general de grafito, y se hace pasar una corriente intensa (unos 10 amperios) a través de ellos. Esta corriente provoca un gran calentamiento en el punto de contacto, al separarse los electrodos, se forma entre ellos una descarga luminosa similar a una llama. 

Imagen 4- Modelo antiguo de lámpara de arco.

En electricidad se denomina arco eléctrico o también arco voltaico a la descarga eléctrica que se forma entre dos electrodos sometidos a una diferencia de potencial y colocados en el seno de una atmósfera gaseosa enrarecida, normalmente a baja presión, o al aire libre.1 Fue descubierto y demostrado por primera vez por el químico británico Humphry Davy en 1800. Para iniciar un arco se ponen en

2

Universidad Nacional de Trujillo. Septiembre 2014

contacto, brevemente, los extremos de dos electrodos, usualmente en forma de lápiz, por lo general de grafito, y se hace pasar una corriente intensa (unos 10 amperios) a través de ellos. Esta corriente provoca un gran calentamiento en el punto de contacto, al separarse los electrodos, se forma entre ellos una descarga luminosa similar a una llama.

La descarga está producida por electrones que van desde el electrodo negativo al positivo, pero también, en parte, por iones positivos que se mueven en sentido opuesto. El choque de los iones genera un calor intenso en los electrodos, calentándose más el electrodo positivo debido a que los electrones que golpean contra él tienen mayor energía total.

En un arco abierto al aire a presión normal, el electrodo positivo alcanza una temperatura de 3500 grados Celsius. Durante el tiempo de la descarga se produce una luminosidad muy intensa y un gran desprendimiento de calor. Ambos fenómenos, en caso de ser accidentales, pueden ser sumamente destructivos, como ocurre con la perforación de aisladores en las líneas de transporte de energía eléctrica en alta tensión o de los aislantes de conductores y otros elementos eléctricos o electrónicos. [3]

LONGITUD DE ONDA

Por la cantidad de franjas brillantes que emite la luz incidente al ser difractadas, se sabe que:

sen (θ )= λd

Entonces

λ =d sen (θ )

Como en este caso hay múltiples longitudes de onda, entonces la formula quedaría:

nλ =d sen (θ ) (*)

Donde n= 1, 2, 3, …

d= Número de líneas por milímetro en la rejilla de difracción.

MATERIALES Y METODOS

2 Barras de grafito. Lente de difracción. Lámpara de arco.2 Pantalla de observación. Fuente de voltaje. Cinta métrica (± 0.1 cm)

Figura 1 –Esquema experimental.

PROCEDIMIENTO

En primer lugar se tienen que colocar los grafitos dentro de la lámpara de arco verificando que estas estén bien ajustadas con sus respectivos sujetadores.

Luego tal y come se muestra en la figura 1, se procede a montar el equipo experimental

3

Universidad Nacional de Trujillo. Septiembre 2014

con sus respectivos instrumentos y materiales.

Una vez armado el equipo experimental se procede al encendido de la lámpara de arco, la cual está conectada a la fuente de alimentación de voltaje, se hace girar unas perillas que se encuentran en el costado de la lámpara (la cual manipula los grafitos dentro de la misma), una vez hecho esto, se observa como emiten una luz muy fuerte que sale de la lámpara, pasa por la rejilla de difracción y se muestra en varios colores en la pantalla blanca.

Se procede a medir la distancia e separación entre la rejilla y la pantalla, luego se mide las longitudes de los colores emitidos en la pantalla, una vez tomados estos datos se procede al análisis.

ANALISIS Y RESULTADOS

Los datos obtenidos mediante la experimentación de ver como cuando sale el haz de luz emitido por lo carbones incandescentes, las cuales pasan por la rejilla de difracción, estos se muestran de varios colores, las cuales son mencionados en la siguiente tabla con sus respectivas distancias.

Datos experimentales

Teniendo en cuenta que la distancia de la rejilla a la pantalla es D= 25 cm

N color distancia (d cm)1 violeta 10.4 - 13.92 azul 13.9 - 17.73 verde 17.7 - 18.7 4 amarillo 18.7 – 21.75 anaranjado 21.7 – 24.9 6 rojo 24.9 – 32.6

Tabla 1- Distancia de cada color obtenido en la pantalla blanca.

Usando la ecuación (*) dada en la introducción, y haciendo unos cálculos se obtienen los siguientes resultados, para las

longitudes de onda (λ).

N color Longitud de onda (λ)1 violeta 364- 4552 azul 458 - 4893 verde 489 - 561 4 amarillo 561 – 5895 anaranjado 589 – 640 6 rojo 640 – 692

Tabla 2 – Datos de las longitudes de onda (λ) obtenidos.

Estos datos obtenidos al ser comprados con una tabla de espectros (imagen 5), muestran que se obtienes valores muy próximos y con errores menores al 5% las cuales son aceptables.

Imagen 5- Longitudes de onda ya establecidas.

CONCLUSIÓN

En esta práctica experimental se llegó a

encontrar las longitudes de onda (λ) de los espectros (colores) producidos al difractar un haz de luz que proviene de hacer chocar dos grafitos con un cierto voltaje, mediante el método de la lámpara de arco. Los resultados obtenidos fueron:

N color Longitud de onda (λ)1 violeta 364- 4552 azul 458 - 4893 verde 489 - 561 4 amarillo 561 – 589

4

Universidad Nacional de Trujillo. Septiembre 2014

5 anaranjado 589 – 640 6 rojo 640 – 692

La cual cuenta con un error porcentual menor al 5% el cual es aceptable, debido a que no se cuenta con equipos muy sofisticados.

BIBLIOGRAFÍA

[1] http://micursofisica.blogspot.com/p/optica-fisica-interferencia-difraccion.html.

[2] http://www.comercioindustrial.net/productos.php?id=electrodos&mt=grafito.

[3] http://www.taringa.net/posts/offtopic/1162977/Supervivencia-Hacer-fuego.html.

5