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Introducción a la Física Experimental
Guía de la experiencia
Relación carga –masa del electrón.
Departamento de Física Aplicada.
Universidad de Cantabria
Junio 29, 2005
Resumen
Se indica cómo utilizar un dispositivo de Thomson –que incluye un
calefactor para emitir electrones, un cañón de electrones, un condensador
de campo eléctrico de desvío y dos bobinas en configuración Helmholtz
paraproducir un campo magnético– para determinar por dos métodos
diferentes la carga específica –relación carga/masa– del electrón.

Introducción
La carga específica del electrón, e/m, puede obtenerse a partir de las desviaciones
que sufre un haz de electrones sometido a la acción de campos eléctricos y magnéticos
producidos con un montaje experimental adecuado (dispositivo de Thomson) [1].
El valor e/m =-1, 758 820 174 × 1011 C·kg-1 es el más preciso proporcionado por la
bibliografía [2].
Históricamente, fue Joseph John Thomson quien
primero determinó con éxito la razón entre la carga
del electrón y su masa, e/m. El experimento de
Thomson tenía por objeto investigar la naturaleza
corpuscular de los rayos catódicos. Su dispositivo,
que esencialmente es el mismo que se utiliza hoy día
en este tipo deexperiencias, consta de un cañón de
electrones (originalmente denominados rayos
Figura 1: Fotografía de J J Thomson
catódicos) en el que estas partículas –emitidas por un
y del dispositivo experimental que
metal calentado y, seguidamente, aceleradas entre las
diseñó a finales del siglo XIX para
placas de un condensador mantenido a una alta
medir la relación carga-masa del
electrón.
diferencia depotencial– pueden ser desviadas por
campos eléctricos homogéneos –creados entre las
placas de otro condensador– o por campos magnéticos homogéneos –creados por
bobinas por las que circula corriente, dispuestas según una geometría particular,
denominada geometría Helmholtz (ver Apéndice 1)–.
Los rayos catódicos se obtenían en tubos en los que se había hecho un vacío elevado
–esto explica que nopudieran ser observados hasta que se desarrollaron eficientes
bombas de alto vacío– entre dos placas metálicas sometidas a alta tensión.
El montaje experimental de Thomson, quien estaba convencido de que los rayos
catódicos eran partículas cargadas, demostró que la relación e/m obtenida era
independiente de los metales que formaban los electrodos dentro del tubo de vacío y de
los gases enrarecidosque contenía dicho tubo. Dado el carácter universal de las
partículas que formaban los rayos catódicos, se considera a J J Thomson como el
descubridor del electrón.
1

Figura 2: Fotografía del tubo
utilizado por Thomson para
medir la relación carga-masa
del electrón.

.

Una forma sencilla de producir electrones es calentar una superficie metálica –el
denominado efecto Edison o efecto termoiónico–.Una vez producidos, los electrones
pueden acelerarse colocándolos en presencia de un campo eléctrico, por ejemplo, entre
las placas de un condensador. Allí, sobre el electrón actúa una fuerza eléctrica que lo
acelera, de manera que adquiere energía cinética.
La trayectoria rectilínea de un electrón, suficientemente acelerado, se puede
modificar utilizando campos eléctricos y campos magnéticos queproducen sendas
fuerzas eléctricas y magnéticas (ver la figura 6).
Acción de un campo eléctrico E1 sobre un electrón.
Cuando un electrón, partícula con carga eléctrica negativa e y masa m, entra en una
región de intensidad de campo eléctrico E experimenta una fuerza Fe que lo acelera en
la dirección del campo (ver figura 3).
El campo eléctrico E entre las placas de un condensador es constante ytoma el valor
E = Vy /d.
(1)
Si un electrón entra en
la región entre placas
del condensador con
velocidad u, según el
eje X, perpendicular al
campo, entonces, describe un movimiento
parabólico en esa región. Veámoslo.
Según el eje Y, el
electrón se mueve con
un movimiento uniformemente acelerado. La
aceleración a vale:

Y

Vy
+ + + + + + + + + + + + +

M

Placas del
con d e n s a d o r
+ + +

m...