Investiga la Ley de Planck con dos juguetes electrónicos

Autores:

FERNANDO IGNACIO DE PRADA PÉREZ DE AZPEITIA.

JEFE DPTO. DE FÍSICA Y QUÍMICA. IES LAS LAGUNAS (RIVAS-VACIAMADRID)
e-mail: pradaperez@laslagunas.net

Investigación

 

¿Es posible demostrar la hipótesis de Planck con dos juguetes electrónicos, como el Energy Stick y la Lámpara de Plasma?

 

Procedimiento

 

Aproxima lentamente el Energy Stick a la bola de plasma, ¿se encienden  los 3 leds de colores (rojo, azul y verde)?, ¿lo hacen a la vez?, ¿en qué orden lo hacen?

Repite el experimento, aproximando el Energy Stick por el lado contrario del cilindro, ¿sucede lo mismo con el orden de iluminación de los leds?

FOTO 1. FICHA 3

 

Ahora, coloca el Energy Stick verticalmente en la mesa cerca de la Lámpara de Plasma, y desliza lentamente por encima del cilindro un muelle de plástico, como si se encontrase dentro de una jaula: ¿qué sucede?

Repite el procedimiento, dejando caer encima un muelle metálico,  ¿que observas en esta ocasión?

FOTO 2. FICHA 3

 

Respuesta

 

La bola de plasma es una esfera de cristal que contiene una mezcla de gases nobles (xenón, neón, kriptón) a baja presión, sobre la que se aplica una corriente alterna de alta frecuencia y alto voltaje (35 kHz y 2500 V), generado por un transformador. Al conectarse a la red, emite destellos causados por la ionización del gas, formando un  estado denominado plasma (cuarto estado de la materia).  Los electrones acelerados por el campo eléctrico, creado por el electrodo esférico central, arrancan electrones de los átomos del gas noble que hay en su interior. Los átomos, al recapturar otros electrones, emiten la luz que acompaña al rayo.

– La lámpara de plasma encendida produce un campo eléctrico, que atraviesa el cristal y puede llegar a iluminar  a distancia lámparas fluorescentes y los 3 leds del Energy Stick, sin necesidad de conectarlos a un enchufe  ni de tocar la lámpara.

FOTO 3. FICHA 3

 

– Moviendo el Energy Stick sobre la Lámpara de Plasma se puede analizar la relación del campo eléctrico con la distancia y comprobar la simetría esférica del campo eléctrico.

– Al ir aproximando el Energy Stick, se encienden los leds de colores pero no todos lo hacen a la vez. Ya sea acercándolo por un extremo, o por el extremo contrario, se puede comprobar que a medida que acercamos el cilindro, se van encendiendo siguiendo un orden determinado: primero el rojo, a continuación el verde y finalmente, el azul.

– Este experimento permite comprender  el significado de la ecuación de Planck:  la energía de una radiación electromagnética es direcamente proporcinal a su frecuencia.


 Energía  = h (cte de Planck) · frecuencia

– El led de color rojo necesita menos energia para iluminarse, le sigue el verde, y luego el azul, que es el que necesita mayor energía de los leds. Según se van acercando al campo eléctrico,  se van encienden en orden de menor a mayor energía, como indica la ley de Planck.

– Este experimento ayuda a comprender mejor el efecto fotoeléctrico;  no es el brillo (intensidad) de la luz, pero si su frecuencia lo que determina su energía.

– Cuando el Energy Stick se encuentra cerca de la lámpara de plasma, los 3 leds se iluminan. Pero si dejamos deslizar un muelle metálico,de manera que encierre al Energy Stick, se comprueba que el campo electromagnético en la región interna del muelle metálico es cero, anulando el efecto del campo creado por la lámpara. El muelle metálico actúa como una Jaula de Faraday. Sin embargo, con el muelle de plástico no sucede este efecto.

¿Qué se pretende demostrar?

De una forma sorprendente y con dos juguetes electrónicos, los estudiantes pueden  comprobar experimentalmente que la energía emitida por una radiación electromagnética depende de su frecuencia (Hipótesis de Planck)

Dirigido a:


    • Gran Público

    • Primaria

    • Secundaria

    • Universidad

    Materiales necesarios:

    – Varita electrónica (Juguete didáctico Energy Stick)

    – Lámpara de plasma (Juguete didáctico)

    – Muelle metálico y de plástico (Slinky)

    – Tubos de descarga de gases (Helio, nitrógeno, oxígeno, etc.)

    – Lámparas fluorescentes

    Riesgos:

    No hay ningún riesgo

    Observaciones:

    La Lámpara de Plasma se puede utilizar para iluminar tubos de descarga de gases (neón, nitrógeno, vapor de Hg, etc.), sin necesidad  de utilizar el carrete o bobina de Ruhmkorff (generador eléctrico que permite obtner tensiones muy elevadas), y de esta forma analizar el color y el espectro característico de cada elemento contenido en el tubo.

    Los tubos de descarga son tubos de vidrio provistos de dos electrodos que contienen un gas sometido a baja presión. Aunque los gases en condiciones normales son malos conductores de la electricidad, cuando se someten a altos voltajes y bajas presiones conduce la corriente y producen luz de diferente color según sea el gas encerrado.

    El campo eléctrico de la bola de plasma, ioniza los átomos del gas (ionización) contenidos en el tubo, de forma que emiten electrones. Al regresar a su estado estable, los electrones emiten la energía que habían absorbido en forma de radiación electromagnética ( luz ). Los iones alcanzan grandes velocidades y chocan contra otras moléculas de gas, desprendiendo electrones y produciendo su ionización (reacción en cascada), como resultado se produce un efecto en cascada y la luminosidad se extiende a lo largo de todo el tubo. Como cada átomo contiene sus electrones en orbitales de diferente energía, los saltos electrónicos emiten radiación con diferente energía y, por tanto, de diferente frecuencia, lo que se traduce en colores diferentes para cada tubo de descarga (espectro de emisión de gases).