Dúvidas sobre a produção dos raios catódicos.

24 de julho, 2020 às 13:03 | Postado em Corrente contínua e alternada, Eletricidade, Estrutura da matéria

Oi. Estava estudando sobre os raios catódicos e fiquei com algumas dúvidas. Queria saber se a corrente elétrica é fruto dos elétrons arrancados do cátodo que vão em encontro ao ânodo ou se é oriunda da ionização do gás entre as placas metálicas, pois cada site que entro fala uma coisa. Queria entender também  o porquê do gás precisar estar sob baixa pressão para ser condutor. Obrigada!!

Conforme discutido na postagem Descarga elétrica através do gás NÃO é consequente do arrancamento de elétrons dos eletrodos!, a intensidade campo elétrico necessário para produzir arrancamento de elétrons do cátodo frio é ordens de grandeza superior à intensidade do campo elétrico (rigidez dielétrica) que produz a ionização do gás. Portanto os raios catódicos em tubos de cátodo frio, como o conhecido tubo de Crookes (Figura 1), inicialmente não são originados pelo arrancamento de elétrons do cátodo. Quando o gás já está ionizado acontece arrancamento secundário de elétrons do cátodo pelo bombardeamento por íons positivos oriundos do gás que, ao colidirem com o cátodo, arrancam elétrons.

A razão pela qual é necessário reduzir a pressão do gás no tubo de raios catódicos para produzir a descarga está relacionada ao mecanismo pelo qual acontece a ionização intensa. É importante notar que em um gás sempre existem elétrons separados das moléculas, consequentes dos raios cósmicos ou da radioatividade de fundo presente no ambiente (Bartnikas e McMahon, 1979). Estes elétrons são acelerados pelo campo elétrico aplicado entre os eletrodos do tubo de raios catódicos e acabam por colidir com as moléculas do gás.

O mecanismo principal para a intensa ionização do gás é a ionização por colisão inelástica de elétrons com as moléculas, provocando avalanches ou cascatas de elétrons em sucessivas colisões com as moléculas do gás. Ou seja, se os elétrons tem energia cinética suficiente para que em colisão com as moléculas do gás as ionizem arrancando mais elétrons, rapidamente o gás fica fortemente ionizado.

A energia cinética que um elétron adquire antes da colisão com uma molécula é tanto maior quanto maior for o campo elétrico aplicado entre os eletrodos e quanto mais afastadas estiverem as moléculas entre si. Como ao se reduzir a pressão, aumenta a distância média entre as moléculas, as colisões dos elétrons com elas se dão com mais energia cinética pois eles são acelerados por um espaço maior antes de se chocarem com as moléculas. Com pressões  baixas é possível então, mantendo-se constante a tensão entre os eletrodos, produzir as cascatas de elétrons e a ionização do gás necessária para o estabelecimento dos  raios catódicos. Vide mais sobre a ionização de gases em  Bobina de Tesla funciona no vácuo? e no livro de Savéliev (1979) disponível em pdf na referência indicada abaixo.

Referências.

Bartnikas, R. e McMahon, E. J. Engineering Dielectrics – Volume I – Corona measurement and Interpretation. Baltimore: ASTM, 1979.

Saveliev, I. V.  Curso de Física General 2. Moscou: MIR, 1984.