EXPERIM2-Prácticas disponibles

Prácticas Disponibles

Temas cubiertos en los experimentos:	CF = Constantes Fundamentales
	PM = Propiedades de Materiales
	VA = Alto Vacío
	ADQ = Adquisición de datos con PC
	DE = Nivel de dificultad experimental

Práctica	CF	PM	VA	ADQ	DE
Levitación magnética - Corrientes de Foucault		X		X	1
Adsorción de gases en sólidos		X			1
Susceptibilidad alterna en conductores- Skin depth		X		X	1
Determinación de la relación e/m del electrón por el método de Busch	X				1
Determinación de la carga del electrón por el método de Millikan	X				1
Velocidad de la luz	X				1
Efecto Fotoeléctrico	X				1
Plasmones superficiales en películas delgadas		X	X		2
Espectro de radiación de un filamento	X				2
Difracción de luz por ultrasonido (Raman-Nath)		X		X	2
Transferencia de calor de un filamento hacia un gas (Pirani)		X	X		2
Interacción de radiación gamma con la materia		X			2
Ruido Johnson: Fluctuaciones en una resistencia eléctrica	X			X	2
Experiencia de Frank y Hertz: Potenciales de ionización y excitación			X	X	2
Efecto Zeeman: Desdoblamiento de niveles cuánticos por campo magnético	X			X	3
Juntura semiconductora: Medición del gap de energía		X		X	3
Magnetómetro de muestra vibrante		X		X	3
Radiación de cuerpo negro (Stefan-Boltzmann)	X		X	X	3
Resistividad y reflectividad versus espesor en películas delgadas metálicas		X	X	X	3
Superconductividad y Termodinámica		X		X	3
SMOKE (efecto Kerr magneto-óptico superficial)		X	X	X	3

Levitación magnética - Corrientes de Foucault

Al someter un metal a un campo magnético variable en el tiempo se inducen corrientes que tratan de oponerse a estos cambios (ley de Faraday). Al mismo tiempo, las corrientes inducidas interactuan con el mismo campo magnético dando orígen a una fuerza entre el metal y la fuente del campo. Este es el principio de funcionamiento de los frenos y de la levitación magnética. En este experimento se mide la fuerza entre un imán permanente y un disco meálico (cobre, bronce, aluminio, hierro) que gira a velocidad controlada. Se estudia la dependencia de esta fuerza con los parámetros controlables como distancia entre disco de metálico y el imán, velocidad angular del disco, etc.

Bibliografía:

• M. Mancuso et al, Magnetic drag in the quasi‐static limit: A computational method, Am. J. Phys. 59 (1991) 1118.
• M. Mancuso et al, Magnetic drag in the quasi‐static limit: Experimental data and analysis, ibid. 59 (1991) 1123.

Plasmones superficiales en películas delgadas

En un metal, los electrones se encuentran libres de moverse por todo el material, formando una especie de "gelatina" de carga negativa. Los iones, en cambio, se encuentran básicamente fijos a las posiciones de la red cristalina. La "gelatina" electrónica puede entonces moverse respecto al "fondo" iónico formando zonas de mayor o menor densidad de carga. Estos movimientos toman forma de onda y son conocidos como plasmones. En una interfaz vacío-metal o dieléctrico-metal existe una variante de estos modos que se conoce como plasmones de superficie. En este experimento se deposita una película delgada metálica sobre la hipotenusa de un prisma recto y se estudia la reflectancia del sistema al hacer penetrar un haz de luz por una cara del prisma. Si el ángulo de incidencia sobre la hipotenusa es mayor que el ángulo de reflexión total y no está presente la película metálica, la reflectancia es 1 independientemente del ángulo. Si la película metálica está presente, se observa en un ángulo determinado que la reflectancia cae abruptamente a un valor bajo. Esta caida indica que la luz está siendo absorbida por el plasmón superficial. El ángulo donde se produce el pico de absorción y sus características de profundidad y ancho dependen de las propiedades de la peícula y de la longitud de onda de la luz utilizada.

Bibliografía:

• H.J. Simon, D.E. Mitchell y J.C. Watson, Surface plasmons in silver films—a novel undergraduate experiment, Am. J. Phys. 43 (1975) 630.
• J.D. Swalen et al, Plasmon surface polariton dispersion by direct optical observation, Am. J. Phys. 48 (1980) 669.

Adsorción de gases en sólidos

Cuando un gas es puesto en contacto con un sólido, existe una probabilidad no nula que las moléculas del primero se adhieran a la superficie del último. Este fenómeno, conocido como adsorción, ocurre en la vida diaria y adeás es ampliamente utilizado en aplicaciones sofisticadas. Por ejemplo, se utiliza para eliminar olores en la cocina adsorbiendo las moléculas en un filtro de "carbón activado" y por otro lado es un método extremadamente limpio para hacer vacío en un recinto. Esta probabilidad de adsorción sobre una superficie sólida es un fenómeno que depende de la temperatura, de la masa de las moléculas del gas interviniente y de las propiedades de la superficie del sólido. En ciencia de materiales hay grandes líneas de investigación dedicadas a encontrar materiales con una alta superficie, para este fin se diseñan sólidos con cavernas y cavidades y también se trabaja sobre materiales con tamaños de partículas en la escala del nanómetro. Uno de la familia de materiales utilizados para adsorción física, se conocen con el nombre de "zeolitas". Utilizando uno de estos materiales, que posee una superficie específica muy alta, con gran porosidad, se miden "isotermas de adsorción" (cantidad de moles de gas adsorbido en función de presión del gas a T constante), para difrentes gases y temperaturas.

Bibliografía:

• T. Allen, Particle size measurement (Chapman and Hall Ltd., Londres, 1968).Biblioteca.
• D.M. Young y A.D. Crowell, Physical adsorption of gases (Butterworths, Londres, 1962).Biblioteca.

Superconductividad y Termodinámica

En 1911, Kamerling Ones y sus estudiantes descubrieron que para algunos materiales por debajo de cierta temperatura crítica, Tc, la resistencia eléctrica se anula. Este fenómeno, conocido como superconductividad, ha sido objeto de estudio desde ese momento. Hasta 1986, la mayor Tc conocida era de aproximadamente 20 K, lo que constituye un limitante serio para la aplicación tecnológica de la superconductividad. En ese año se descubrió el primero de una serie de compuestos con Tc’s más altas, y que hoy en día llegan hasta 160K. Estos compuestos, usualmente conocidos como "High-Tc" son óxidos complejos que pueden prepararse en forma cerámica o monocristalina. En este experimento se mide la resistencia en función de temperatura para muestras de High-Tc, observándose el fenómeno de pérdida de resistencia y su dependencia con un campo magnético aplicado.

Bibliografía:

Susceptibilidad alterna en conductores- Skin depth

Cuando un campo variable en el tiempo actúa sobre una interface metálica, en la misma se inducen corrientes que tratan de apantallar este campo. Esto se debe a la ley de inducción de Faraday, conjuntamente con la ley de Ohm. Este apantallamiento se produce en una distancia característica que depende de la conductividad eléctrica del material y de la frecuencia del campo aplicado. Esta distancia es conocida como "skin depth". En este experimento se mide el skin depth para Cu y su dependencia en frecuencia. Para ello se estudia la respuesta en frecuencia de un bobinado en el cual se inserta un cilindro de Cu. Este cilindro, por lo discutido anteriormente, apantalla el campo dentro del bobinado, cambiando su área efectiva, y por lo tanto su autoinductancia. En base a la diferencia de respuesta entre tener o no el cilindro de Cu se estudia el fecto de apantallamiento.

Bibliografía:

Juntura semiconductora: Medición del gap de energía

Una juntura semiconductora, comunmente conocida como diodo, consiste en la unión de dos materiales semiconductores de diferente densidad de portadores de corriente eléctrica. Esto produce el conocido efecto de no-linealidad de conducción, que se debe a campos eléctricos internos generados en la juntura. Además, en un semiconductor la cantidad de electrones en condiciones de conducir una corriente eléctrica es función de temperatura. Esto se debe a que los mismos, debido a que están dentro de un sólido y no en el vacío, tienen un rango de energías prohibido. Este "gap" de energía funciona como una barrera que debe ser saltada para que los electrones puedan conducir una corriente. La probabilidad que este salto se produzca depende de temperatura y este es el orígen de la variación con temperatura del número de portadores. En este experimento se mide resistencia versus temperatura y corriente para un diodo comercial. En base a esas mediciones se extrae información respecto al valor del gap.

Bibliografía:

• N.W. Ashcroft, Solid State Physics (Holt, Rinehart & Winston, Nueva York, 1976).Biblioteca

Resistividad y reflectividad versus espesor en películas delgadas metálicas

Crecer un film sobre un sustrato implica depositar material en forma macroscópicamente homogenea. A nivel microscópico, si este material se depositará en forma homogenea o en forma de islas depende de las propiedades del material depositado y de la superficie sobre la que se deposita. Esto afectará, obviamente, las propiedades físicas del film. Por ejemplo, si el material depositado es metálico, pero crece en forma de islas y la cantidad depositada no alcanza para que estas se toquen entre sí, la conductividad eléctrica no percola y el film macroscópico es aislador. Además, aún en el caso en que el film sea homogeneo, si el espesor es menor que el camino libre medio de los electrones, es de esperar que la conductividad eléctrica sea dependiente de este espesor, o sea se esperan efectos de tamaño. En este experimento se estudian dos propiedades físicas de films metálicos en función de espesor, la conductividad eléctrica y la reflectividad. Para ello se evapora un film metálico midiendo simultáneamente estas propiedades. La conductividad se mide con el método convencional y la reflectividad se mide a través de la intensidad de un láser que atravieza el film.

Bibliografía:

• L.I. Maissel and R. Glang, Handbook of Thin Film Technology (McGraw-Hill, 1970).
• C.R. Tellier y A.J. Tosser, Size Effects in Thin Films (Elsevier, Amsterdam, 1982).Biblioteca

Espectro de radiación de un filamento

A fines del siglo pasado Wilhelm Wein dedujo una ley de radiación (cuya forma definitiva fue dada por Planck) que propone que la radiación por unidad de longitud de onda viene dada por $R_{\lambda}(T) = 2\pi h c^2 {\lambda}^{-5}/[\exp(hc/(kT)-1]}$. Se propone medir la radiación en función de temperatura de un filamento incandescente y a partir de los datos extraer un valor de la constante de Planck. Igualmente se puede estudiar el espectro de radiación en función de la longitud de onda.

Bibliografía:

• S. George, J.E. Fredrickson y A. Sankaranarayanan, Planck's Constant from Wien's Displacement Law, Am. J. Phys. 40 (1972) 621.
• R.E. Crandall y J.F. Delord, Minimal apparatus for determination of Planck’s constant, Am. J. Phys. 51 (1983) 90.
• J. Dryzek y K. Ruebenbauer, Planck’s constant determination from black‐body radiation, Am. J. Phys. 60 (1992) 251.

Radiación de cuerpo negro

Cada objeto en el universo emite y absorbe energía en la forma de radiación electromagnética. Esta forma de tansporte de energía difiere del proceso de conducción y convección en que no requiere de un medio ni del transporte de materia. La energía irradiada se origina en la energía interna asociada con el movimiento atómico y molecular y las aceleraciones de las cargas eléctricas en el objeto. En átomos o moléculas que se pueden mover independientemente esta radiación da origen a lineas espectrales discretas, pero en sólidos los átomos interactúan tan fuertemente que no pueden radiar en forma independiente y la energía irradiada depende sólo de la temperatura y de la característica de la superficie (forma, emitividad). Un cuerpo que absorve (y emite) en forma perfecta la energía es llamado cuerpo negro. Los valores de emisividad de un cuerpo varían de acuerdo a si el material es reflectante (por ejemplo "foil" de aluminio, con emisividad muy baja) hasta valores cercanos a 1 para superficies pintadas de negro. En 1879 Josef Stefan estableció la relación empírica en la cual la emisión radiante total va como: M(T) = $\sigma$ T$^4$. Ludwig Boltzmann en 1884 dió la base teórica de esta ley. Wilhelm Wien mostró en 1893, en base a termodinámica clásica, que la forma espectral de la radiación debe adoptar la forma: M$_{\lambda}$(T) = c$_1 \lambda^{-5}$ f($\lambda$T). Este y resultados relacionados le merecieron el Nobel de 1911. Por otra parte Lord Rayleigh en 1900 había deducido a partir de mecánica estadística que f($\lambda$T) = c$_2 \lambda$T... y a pesar de ser una buena aproximación para $\lambda$T grandes... conduce a la {\it catóstrofe del ultravioleta}... o sea, que para longitudes de onda corta la radiación diverge!. Planck (Nobel 1918), propuso que la radiación no era emitida en forma continua, sino discreta, y llego al resultado: M$_{\lambda}$ (T) = $2 \pi h c^2\lambda^{-5} / [exp(hc/(kT)-1]$, cuya integración sobre todas las longitudes de onda lleva a la ley de Stefan-Boltzman. Bienvenido a este experimento con larga trayectoria. Se propone medir la constante de Stefan-Boltzman mediante el estudio de la temperatura en función del tiempo de recipientes concéntricos (pintados de negro) que tienen en su interior una fuente de calor.

Bibliografía:

Determinación de la relación e/m por el método de Busch

La determinación de las propiedades del electrón fueron uno de los temas de mayor interés en la física de fines del siglo pasado y principios de este. No fue sino hasta 1897 que J.J. Thompson comunicó por primera vez en un discurso en la Royal Institution su descubrimiento de que en realidad los "rayos catódicos" eran electrones. Un simple experimento permite determinar la relación carga/masa del electrón. En presencia de un campo magnético uniforme un electrón poseyendo una velocidad inicial {\bf v}, es sujeto a una fuerza {\bf F} = e {\bf v} $\times${\bf B}. Utilizando la ley de Newton (considerando una aceleración centrípeta $a$ = v$^2$/r) se determina que el período de la órbita circular está dada por T = 2$\pi$ m/eB. A partir de esta expresión se puede determinar la relación e/m. Para esto se utiliza un tubo de rayos catódicos aplicando campos eléctricos para deflectar y acelerar el haz de electrones y un campo magnético axial.

Bibliografía:

Determinación de la carga del electrón por el método de la gota de aceite

Entre 1909 y 1913 Robert Andrew Millikan realizó experimentos para determinar la carga del electrón. Anteriormente a Millikan se debatía si la electricidad era un "fluído contínuo" o si estaba discretizado. La determinación de Millikan permitió finalizar este debate (y determinar, igualmente, el número de Avogadro). En este sencillo experimento se observa la caída de pequeñas gotas de aceite, algunas de las cuales se cargan espontáneamente con valores de carga discretos... múltiplos de la carga del electrón. Mediante la aplicación de un campo eléctrico se puede establecer una fuerza electrostática que actúa contra la gravedad, y hacer que las gotitas suban en vez de bajar, y midiendo los tiempos involucrados en las subidas y bajadas se puede determinar la carga del electrón.

Bibliografía:

• R.C. Jones, The Millikan oil‐drop experiment: Making it worthwhile, Am. J. Phys. 63 (1995) 970.
• D.L. Anderson, The Discovery of the Electron (Van Nostrand Company, Princeton, 1964).Biblioteca

Velocidad de la luz

En este experimento se mide la velocidad de la luz mediante la medición del tiempo que toma un haz de luz modulado en recorrer una distancia conocida. El experimento se realiza, hasta el momento, modulando un haz de luz infrarojo mediante un generador de pulsos. El retardo del haz se mide en un osciloscopio.

Bibliografía:

Magnetómetro de muestra vibrante

Este método de medición de la magnetización fué diseñado originalmente por S. Foner y es uno de los más difundidos para medir la magnetización de los materiales. El experimento utiliza la ley de inducción de Faraday. Haciendo vibrar una muestra magnetizada en presencia de una bobina detectora, la cuál consta de dos bobinados contrapuestos de igual número de vueltas. La muestra se ubica aprox. en el centro de las bobinas y se hace vibrar a través de la excitación de un cono de un parlante. El movimiento de la muestra magnetizada genera una fem en ambas bobinas que se suman, y cuyo valor es proporcional a la magnetización del material. Este es el principio de varios magnetómetros comerciales como en los del tipo VSM ("Vibrating Sample Magnetometer") o de tipo SQUID ("Superconducting Quantum Interference Device"). Se pueden realizar varios experimentos en este equipamiento: caracterización de materiales, estudios de efectos de forma, determinar la temperatura de transición de algún material ferromagnético cercano a temperatura ambiente, etc. Es posible automatizar la adquisición de datos y control de campo magnético.

Bibliografía:

SMOKE (efecto Kerr magneto-óptico superficial)

Cuando un haz de luz polarizada se refleja en una superficie de un material magnético, una medición cuidadosa permite observar pequeños cambios en el estado de polarización de la luz y que es atribuible a la magnetización del material. Este fenómeno se llama efecto Kerr magneto-óptico. Este efecto está relacionado con el efecto de rotación del eje de polarización que se observa en un material magnético transparente (rotación de Faraday). Estos efectos pueden atribuirse a términos no diagonales del tensor de susceptibilidad magnética. Este efecto ha permitido medir en ultra alto vacío el ciclo de histéresis de un film magnético a medida que se crece desde una monocapa de átomos!. La propuesta es observar este efecto en una película delgada, se pueden fabricar diferentes espesores y observar el cambio enlas características del ciclo de histéresis. Auntomatización de datos y control de campo, utilización de un amplificador Lock-in.

Bibliografía:

• S. Bader, SMOKE, J. Magn. Magn. Mater. 100 (1991) 440, y sus referencias.
• L. D. Landau and E. M. Lifshitz, Electrodynamics of Continuous Media (Pergamon, Londres, 1960).Biblioteca

Difracción de luz por ultrasonido (difracción de Raman-Nath)

Interesantes efectos se producen cuando un haz de luz interactúa con ondas sonoras. El experimento permite la observación y medición de intensidad y posición de máximos de luz resultantes del proceso de drifracción. Básicamente, un haz de luz laser atraviesa una cubeta, donde un líquido es excitado a frecuencias ultrasónicas por un transductor piezoeléctrico. La onda sonora produce variaciones periódicas de la densidad e índice de refracción del medio y por lo tanto de la velocidad de propagación de la luz. En esta forma, a la salida de la cubeta, se obtiene un frente de ondas luminoso que está modulado en fase en forma periódica y esto da lugar a espectros de difracción característicos. Este fenómeno fue discutido por Raman y Nath y se lo conoce entonces como difracción de Raman-Nath. El experimento exige el control cuidadoso de distintas condiciones, como ángulo de incidencia, frecuencia y amplitud de la onda sonora, etc, así como la implementación de un sistema automatizado para la medición de los espectros de difracción.

Bibliografía:

• D.T. Pierce y R.L Byer, Experiments on the Interaction of Light and Sound for the Advanced Laboratory , Am. J. Phys. 41 (1973) 314.
• J.F. Neeson y S. Austin, Sound velocity and diffraction intensity measurements based on Raman–Nath theory of the interaction of light and ultrasound, Am.J.Phys. 43 (1975) 984.

Transferencia de calor

El experimento consiste en estudiar la transferencia de calor entre un alambre de tungsteno concéntrico a un cilindro de cobre a temperatura constante y cercana a ambiente. El alambre es alimentado con una potencia eléctrica conocida en condiciones de medio y alto vacío. Mediante la determinación de la potencia disipada en función de la temperatura del alambre y la presión de un determinado gas dentro de la cámara de vacío, se intentará identificar la contribución de los distintos mecanismos de transferencia de calor: convección, transmisión y radiación. Es interesante notar que uno de los más conocidos dispositivos para la medición de vacío medio (por debajo de 1 Torr), debido a Pirani, utiliza este mecanismo.

Bibliografía:

Interacción de radiación gamma con la materia

La radiación electromagnética en el rango de algunas decenas de keV hasta varios MeV (x y gamma) interactúa con la materia a través de tres mecanismos principales: efecto fotoeléctrico, dispersión Compton y producción de pares. El predominio de cada uno de ellos depende del material absorbente y de la energía incidente. Utilizando fuentes radioactivas de baja intensidad y un detector de NaI se estudia la atenuación que sufre la radiación gamma al atravesar placas de diferentes materiales y espesores, y cómo depende ésta de la energía incidente. Se estudia también el efecto Compton, verificándose la famosa fórmula de Compton para el cambio en la longitud de onda del fotón versus el ángulo de dispersión.

Bibliografía:

• G.F. Knoll, Radiation detection and measurement (Wiley, Nueva York, 1979).Biblioteca

Efecto Zeeman: Desdoblamiento de niveles cuánticos por campo magnético

En 1897 Zeeman descubrió que la aplicación de un campo magnético estático a los átomos de un material en estado gaseoso desdobla las líneas del espectro de luz emitidas por este gas. Hoy en día se entiende que el orígen de este efecto está intimamente relacionado a los estados cuánticos accesibles para el átomo ionizado. Cada uno de estos estados cuánticos tiene un momento magnético, y por lo tanto la energía de este estado depende del campo magnético. La aplicación de este, entonces, modifica la energía de las transiciones que emiten luz, cambiando así la frecuencia de la misma. En este experimento se estudia este efecto para algunas líneas de emisión del Hg. La interpretación de los datos permite discutir algunos conceptos elementales de la mecánica cuántica y obtener un valor para el Magnetón de Bohr.

Bibliografía:

• A.C. Melissinos, Experiments in Modern Physics (Academic Press, Nueva York, 1966), pp. 43-52, 283-294, y 320-339.Biblioteca

Efecto Fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones cuando una superficie metálica es iluminada con luz. Fue observado por primera vez por Heinrich Rudolf Hertz en 1887. En 1902, Philipp Eduard Anton von Lenard observó que la energía de los electrones emitidos aumenta con la frecuencia de la luz incidente, hecho que contradecía la teoría ondulatoria de la luz. En 1905, Einstein explicó este fenómeno postulando la existencia de cuantos de luz, o fotones, cuya energía es proporcional a su frecuencia. La constante de proporcionalidad es la constante de Planck. De esta manera, el electrón es emitido solo si la energía del fotón absorbido es superior a la función trabajo del metal. Esta explicación le valió el premio Nobel a Einstein en 1921, y es uno de los orígenes de la mecánica cuántica. En este experimento se estudia este efecto en función de la frecuencia e intensidad de la luz incidente.

Bibliografía:

Experiencia de Frank y Hertz: Potenciales de ionización y excitación

El clásico experimento de Franck y Hertz de 1914 confirmó el modelo atómico que Bohr propuso un año antes para interpretar el espectro de radiación del átomo de hidrógeno. Por su importancia los autores recibieron el premio Nobel, aún cuando al momento de realizarlo desconocían el modelo de Bohr y la interpretación del experimento que ofrecieron fuese incorrecta. En el experimento original se bombardearon átomos de Hg con electrones obteniéndose información sobre las transferencias de energía desde el electrón incidente al átomo blanco. Dado que los niveles atómicos están cuantizados, la energía necesaria para transferir un electrón del átomo desde el estado fundamental a un estado excitado también toma valores discretos, los cuales pueden obtenerse a partir del experimento. Con el equipamiento disponible en el laboratorio de experimental 2 se puede repetir este experimento con diferentes gases (He, Ar, N2) y con diferentes geometrías de electrodos.

Bibliografía:

Ruido Johnson: Fluctuaciones en una resistencia eléctrica

El fenómeno de la conductividad eléctrica en un material macroscópico tiene un orígen netamente estadístico, debido a la gran cantidad de electrones contenidos en el mismo, del orden del número de Avogadro. Si se mide el voltaje en una resistencia por la que no está circulando corriente, se observa que en función del tiempo este varía. Su valor medio es nulo, pero la varianza es diferente de cero. Este fenómeno fue caracterizado por J.B. Johnson y explicado teóricamente por H. Nyquist en 1928. En honor del primero, esta fuente de ruido se ocnoce como ruido Johnson. En este experimento se mide el espectro de ruido de una resistencia en función de frecuencia y temperatura. El análisis de los resultados permite diferenciar los distintos orígenes del ruido y, una vez identificado el ruido Johnson, obtener un valor para la constante de Boltzmann.

Bibliografía:

• J.B. Johnson, Thermal agitation of electricity in conductors, Phys. Rev. 32 (1928) 97.
• H. Nyquist, Thermal agitation of electric charge in conductors, Phys. Rev. 32 (1928) 110.

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