Física | 2º Bachillerato


MAGNETISMO
Teoría y problemas
APLICACIONES

La ley de Lorentz ha permitido el desarrollo de tres instrumentos que posibilitaron el avance en el conocimiento de la materia y de sus distintas relaciones. Esos instrumentos son: el selector de velocidades, el ciclotrón y el espectrómetro de masas.

El selector de velocidad

Está constituido por dos placas, separadas a una distancia d, entre las que se aplica una diferencia de potencial, que determina un campo eléctrico uniforme entre ambas placas. Perpendicular al campo eléctrico se aplica un campo magnético, tal como se indica en la figura (para una q+). Sobre las cargas aparecen dos fuerzas, una electrostática (Fe) y otra magnetostática (Fm), de sentidos opuestos. Según sea mayor la fuerza eléctrica o la magnética, las cargas se desviarán hacia la placa positiva, la negativa o en último caso no se devía, cumpliéndose que v=E/B, con lo que controlando las intensidades de los campos podemos seleccionar una velocidad determinada.

Selector de velocidad

El ciclotrón

Hasta 1928 las únicas partículas rápidas que podían utilizarse para realizar experimentos eran los electrones o las partículas α producidas por las sustancias radiactivas. En 1928 se inventó el primer acelerador lineal; este aparato consta esencialmente de una serie de electrodos entre los que se establece una diferencia de potencial cada vez más elevada; cuando las partículas cargadas recorren el campo eléctrico existente entre ellos, son aceleradas por el campo y adquieren una energía cinética cada vez mayor y por tanto una velocidad mayor. Sin embargo para para producir partículas de alta energía haría falta una diferencia de potencial muy grande. Sin embargo en un acelerador cíclico una carga eléctrica puede recibir una serie de aceleraciones, generando una alta velocidad en la partícula, al pasar varias veces por una diferencia de potencial relativamente pequeña. Cada vez que pasa por la zona del campo eléctrico la partícula sufre un "empujon" que la acelera. Esta es la idea que subyace en el ciclotrón.

Ciclotron

Un ciclotrón consiste en una cavidad cilíndrica dividiva por la mitad, donde a cada mitad se le denominan "des" D por su semejanza con dicha letra. Dichas D se encuentran en un campo magnético uniforme perpendicular al plano de las D. El sistema se mantiene al vacío para que las partículas aceleradas no interactúen con las moléculas de gas. Entre las D se aplica una diferencia de potencial del orden de 10000 V. Dicho potencial está producido por una fuente alterna u oscilador. En el centro de las D se sitúa una fuente de iones que son acelerados inicialmente por la diferencia de potencial entre las D. Al entrar en la D el ión sufre una fuerza magnética que lo hace girar recorriendo media circunferencia y volviendo a entrar en la zona de potencial. En ese tiempo el oscilador cambia la dirección del campo eléctrico entre las D y el ión vuelve a ser acelerado, aumentando su velocidad, entrando en la otra D y volviendo a girar, pasando de nuevo por la zona de potencial que volvió a cambiar de sentido, y así sucesivamente. El tiempo que el ión tarda en recorrer la media circunferencia es siempre el mismo, ya que no depende de la velocidad a la que gire, pero el radio cada vez es mayor. Fisicamente decimos que la diferencia de potencial del oscilador está en resonancia con el movimiento circular de los iones. La frecuencia del oscilador que acelera a los iones será:

Ciclotron

En el M.C.U. se verifica que ω=v/r, por tanto:

Ciclotron

El espectrómetro de masas

El espectrógrafo o espectrómetro de masas es un dispositivo que sirve para determinar experimentalmente la masa de los elementos, la masa de los distintos isótopos de un elemento e incluso la masa de moléculas orgánicas. Si tenemos una fuente de iones a la que aplicamos una diferencia de potencial, los iones producidos se aceleran y penetran en una región donde existe un campo magnético desviandose en una trayectoria circular de radio r que depende de la relación carga masa de la partícula. Si se controla la carga las sustancias se separan en masa, de tal manera que a más masa mayor radio. Con este dispositivo se han descubierto los ditintos isótoposque posee una sustancia.

Ciclotron

Con este dispositivo J.J. Thomson decubrió los isótopos del neón 20Ne y 22Ne, junto con su porcentaje.

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