8/20/2019 Potencial de Ionizacion -Determinacion d (1)

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Potencial de Ionización-Determinación del gas en una válvula termoiónica-

Roberto Villa.

Laboratorio de Física Contemporánea

Facultad de Ciencias

Universidad Nacional Autónoma de MéxicoCiudad Universitaria. Cd. De México

Marzo 2013.

Resumen:

En ésta práctica se determinó el primer potencial de ionización del gas contenido en una válvula

termoiónica (tiratrón gaseoso). Lo que permitió su identificación.

Palabras clave: tiratrón, ionización, conductividad, Langimuir, Child.

1.Introducción

El potencial de ionización de un gas se refiere al potencial eléctrico necesario para producir iones elmismo.

Se dice que un gas está ionizado cuando éste se

vuelve un conductor, es decir que su conductividadaumenta evidenciado ésto por la presencia de una

corriente eléctrica aumentada circulante en el gas

que se ha sometido al potencial suficiente.

Previo a alcanzar la energía de ionización el gas secomporta como un material óhmico a potenciales

suficientemente bajos, para luego seguir el

comportamiento dado por la ecuación deLangimuir Child:  I =kV (3 /2 )   hasta alcanzar el primer potencial de ionización, donde aumentasúbitamente la corriente debido a la presencia de

los electrones arrancados de los átomos del gas. El

 proceso de ionización se da cuando lostermoelectrones inyectados el en gas tienen la

energía cinética suficiente para igualar la energía

de enlace de los electrones más externos del átomoy así colisionar inelásticamente con ellos,

haciéndolos salir de sus órbitas, liberándolos para

ser conducidos por el circuito; la cantidad deelectrones liberados en este proceso constituye elaumento de corriente observado, aumentando la

conductividad del gas al alcanzar el potencial de

ionización. Esta es la primera energía deionización, al continuar elevando el potencial se

 puede continuar sacando electrones con mayor

energía de enlace del átomo, correspondientes a lassubsecuentes energías de ionización. Así para cadaátomo de la tabla periódica corresponde una

 primera energía de ionización diferente, que

aumenta según el número atómico en cada períodode la tabla , es máxima para los gases nobles y

mínima para los metales alcalinos.

2. Procedimiento experimental

Para éste experimento se utilizó una válvulatermoiónica; específicamente un tiratrón, ésto es,

un dispositivo electrónico formado por una ampolla

de vidrio que contiene un gas a baja presión y posee tres o cuatro electrodos; cátodo, ánodo y una

o dos rejillas de control. Esquemáticamente se

 presenta en la figura 1. Figura 1. Esquema del tiratrón gaseoso

 Figura 1. Tiratrón gaseoso marca General Electric

tipo 2D21. Las patas tienen la siguientedescripción: 1) rejilla1, 2) cátodo, 3) y 4)

 filamento, 5) y 7) rejilla 2, 6) ánodo.

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 Para la determinación del potencial de ionización

se realizó un circuito que permite usar el tiratrón

gaseoso para medir la corriente que sale del ánodo

y el voltaje de entrada entre el cátodo y el ánodo;con lo que se puede determinar el potencial al que

ocurre el incremento brusco de la corriente y deja

de seguirse la ley de Langimuir-Child al aparecerlas cargas libres producto de la ionización.

Presentamos el circuito en la figura 2.

3. Resultados.

Los resultados del comportamiento de la corriente

medida en el amperímetro al variar el voltaje de la

fuente se presentan en el siguiente gráfico.

Gráfico 1. Voltaje contra corriente

.

 Figura 2. Circuito experimental.

 Figura 2. El filamento es conectado a unacorriente alterna de 7v; lo que calienta el cátodo,

el cuál emite los termoelectrones que son

acelerados debido al potencial existente entre elánodo y el cátodo; éste puede ser variado en la

 fuente y medido en el voltímetro. La corriente se

registra en el amperímetro a la salida del ánodocerrando el circuito.

En éste circuito se cuenta con una fuente de c.d.Que puede ser variada desde cero hasta 12 volts

hasta encontrar el primer potencial de ionizacióndel gas encerrado.El filamento es calentado mediante un potencial

alternante de 7 volts mediante otra fuente externa.

Gráfico 1. Curva de los datos experimentales, Losvalores medidos se presentan como puntos.

Los datos tienen todos el mismo error asociado ala mínima escala posible de la medición con los

multímetros marca HP de ±0.005v en el casode la medición de voltaje y de ±0.005ma  parala medición de la corriente de salida.

4.Análisis de resultados.

Para el análisis de estos datos hacemos uso de laley de Langimuir-Child, transformándola a una

forma lineal que nos permita determinar la

constante de proporcionalidad (k) haciendo unarreglo lineal:

 I =kV  (3 /2)

  (1)

En la determinación de la constante (k) cabe usarsólo los puntos anteriores al potencial de

ionización, en este caso tomamos aquellos cuyos

 potenciales son menores de 9 volts ya que en esedominio la pendiente no cambia bruscamente y se

asume que sigue la mencionada ley.

La constante es entonces:

 k = I /V (3/ 2)

 

(2)

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 por la técnica de mínimos cuadrados considerando

sólo potenciales menores de 9 volts se obtiene unvalor para k de:

k =0.253±0.024

Para estimar el potencial de ionización utilizamos

el arreglo lineal que exhibe el comportamiento dela potencia 3/2 de la corriente (  I 

2/3)con la

variación del voltaje, que debe ser una pendiente

constante k 2 /3

mientras se tiene el régimen de

Langimuir-Child, cambiando la pendiente

 bruscamente desde el potencial de ionizacióncomo se ha descrito.

Gráfico 2. V contra  I 2/3

Gráfico 2. Datos experimentales a la potencia 2/3

 para la corriente según el voltaje y ajustes

lineales. El ajuste lineal 1 que corresponde con el

comportamiento de Langimuir-Child se da antesdel potencial de ionización, luego éste cambia

bruscamente hacia otra pendiente mayor ajustada

con una segunda recta.

Ajustando una segunda recta a partir de los puntosdonde ya es evidente un cambio de pendiente enla relación

 I 2/3=k 2/ 3V 

que deja de ser lineal con una pendiente k 2 /3

 

 para aumentar su pendiente bruscamente luego del

 potencial de ionización.

Así estimamos el potencial de ionización como el

 potencial para el cual las dos rectas se intersectan.El cálculo de la intersección de las dos rectas.

De modo que haciendo un clásico arreglo lineal

arrojó: V i=10.838±0.3009

5. Conclusiones.

El gas encerrado en el tubo de la válvula

termoiónica se trata de gas de mercurio. El estado

gaseoso del mismo puede explicarse por la baja presión a la que se encuentra dentro del tubo. A

esta conclusión se llegó tomando en cuenta que el

 potencial de ionización es menor que el del gasXeon (11.7V), muy común también en la

fabricación de semejantes tubos. Por último, se

descartó también el gas Radón, ya que no se usa

comercialmente para tales tubos. Las variacionescon el valor de ionización real se deben en parte a

que el tubo no está diseñado para éste tipo de

desarrollos experimentales.

 6. Bibliografía y referencias.

[1] Introduction to atomic spectra. White, Harvey

Elliott, McGraw-Hill, 1934.

[2] Ionized gases, 2da ed. Engel Von. A. AmericanInstitute of Physics, 1994.

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