Espectrómetro de masas, ciclotrón y fuerza de Lorentz: resumen de física
Resumen
El texto explica el funcionamiento del espectrómetro de masas, que separa isótopos mediante campos eléctricos y magnéticos, y del ciclotrón, acelerador de partículas diseñado en 1931. También describe el movimiento circular uniforme de partículas cargadas en campos magnéticos y la fuerza de Lorentz, que combina las fuerzas eléctrica y magnética. Es un repaso útil para entender estos conceptos básicos de electromagnetismo.
Puntos clave
- El espectrómetro de masas separa los isótopos de un elemento según el radio de su trayectoria en un campo magnético uniforme.
- Iones con igual carga y distinta masa describen trayectorias de distinto radio y llegan a puntos diferentes de la pantalla.
- El ciclotrón, construido en 1931 por O. Lawrence y S. Livingston, acelera partículas cargadas entre dos "D" con diferencia de potencial alterna.
- En un campo magnético uniforme, la fuerza qvB es perpendicular a la velocidad, por lo que el módulo de la velocidad se mantiene constante y la partícula describe un movimiento circular uniforme.
- La fuerza de Lorentz es la suma vectorial de la fuerza coulombiana del campo eléctrico y la fuerza magnética sobre una partícula cargada en movimiento.
Espectrómetro de masas
El espectrómetro de masas es un dispositivo que, por medio de un campo eléctrico y otro magnético, permite la separación de los isótopos de un elemento químico. Los iones positivos de los distintos isótopos son acelerados en el campo eléctrico existente entre las armaduras de un condensador, adquiriendo energía cinética y una velocidad dadas por:
Siendo 
la diferencia de potencial entre las dos armaduras. Los iones, una vez acelerados, penetran perpendicularmente en un campo magnético uniforme, en el que se desvían, describiendo una trayectoria circular de radio:
De esta manera, los iones que tengan la misma carga, pero diferente masa (isótopos), describirán trayectorias de distinto radio, impactando en puntos diferentes de la pantalla, donde se observarán y recogerán por separado.
Ciclotrón
Recibe este nombre el acelerador de partículas construido en 1931 por los físicos norteamericanos O. Lawrence y S. Livingston. El ciclotrón es un dispositivo diseñado para acelerar partículas cargadas. Esencialmente, consiste en dos "D" muy próximas colocadas en un campo magnético. Entre ellas se crea una diferencia de potencial alterna.
- Una partícula cargada es atraída por una de las "D".
- Al ganar velocidad en presencia del campo magnético, recorre una semicircunferencia.
- Cuando se acerca a la segunda "D", cambia el potencial eléctrico y la partícula es acelerada nuevamente.
- Al incrementar su velocidad, aumenta el radio de la semicircunferencia.
El proceso se repite hasta que la partícula ha alcanzado la energía programada, momento en el cual se le permite abandonar el dispositivo.
Movimiento de partículas cargadas en campos magnéticos uniformes
Una partícula sometida a la fuerza de valor qvB tendrá una dirección perpendicular a la velocidad y, por consiguiente, a la trayectoria de la partícula. Por este motivo, el valor de la velocidad se mantiene constante; solo se modifica su dirección. Por todo ello, la partícula cargada experimenta una aceleración normal, que curvará su trayectoria, haciéndole seguir un movimiento circular uniforme de radio R.
Fuerza de Lorentz
En el espacio pueden existir simultáneamente campos eléctricos (E) y campos magnéticos (B). La partícula cargada sufre una fuerza coulombiana en la dirección de las líneas del campo eléctrico. Si la partícula cargada se mueve, sufre además la fuerza magnética. Es decir, la partícula cargada en movimiento experimenta dos fuerzas que se suman vectorialmente:
Esta expresión se conoce como fuerza de Lorentz.
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PDF Word HTMLPreguntas frecuentes
¿Para qué sirve un espectrómetro de masas?
Sirve para separar los isótopos de un elemento químico. Los iones de cada isótopo se desvían según su masa en un campo magnético y se recogen por separado.
¿Qué hace un ciclotrón?
Es un acelerador de partículas cargadas. La partícula gana energía cada vez que cruza el hueco entre las dos "D" y recorre semicircunferencias de radio creciente hasta alcanzar la energía programada.
¿Qué es la fuerza de Lorentz?
Es la fuerza total que sufre una partícula cargada cuando existen campos eléctricos y magnéticos a la vez. Es la suma vectorial de la fuerza coulombiana y la fuerza magnética.
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