Download APLICACIONES

EM2011
SERIE DE PROBLEMAS 02
-APLICACIONES-
G 09NL25Edna Molina
Universidad Nacional de Colombia
Depto de Física
Mayo 2011
Aplicaciones
1.Dibuje un esquema que ilustre el principio de
funcionamiento de un espectrómetro de masas y
explicite dónde están las leyes de Maxwell
Espectrómetro de Masas
Fuente :
http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/magnet/esp
ectrometro.html
Funcionamiento



Un espectrómetro de masas es un dispositivo que se emplea
para separar iones dentro de una muestra que poseen distinta relación
carga/masa. La mezcla puede estar constituida por distintos isótopos de
una misma sustancia o bien por distintos elementos químicos.
Existen distintos modelos de espectrómetros. En la figura anterior se ha
representado un esquema de su principio de funcionamiento.
Todos los elementos del espectrómetro deben estar en el interior de una
cámara de vacío. La muestra gaseosa (situada a la izquierda de la
figura) se ioniza mediante un haz de electrones. Los iones positivos son
acelerados por un campo eléctrico. Entre las placas aceleradoras existe
un campo eléctrico, por lo que los iones experimentarán una fuerza
dada por:



A continuación el haz de iones pasa por una zona del espacio
donde existe un campo magnético B. La fuerza que el campo
magnético hace sobre una carga es:
que es perpendicular al campo magnético y al vector velocidad
de la carga (en este caso, de los iones positivos).
Como la fuerza (representada en verde en la figura) es
perpendicular a la trayectoria de los iones, éstos
tendrán aceleración normal, y se desviarán describiendo una
trayectoria curva.
Utilizando la segunda ley de Newton,





Para un valor fijo de la velocidad y del módulo del campo magnético,
cuanto menor sea el cociente m/q menor será el radio de curvatura ρ de
la trayectoria descrita por los iones, y por tanto su trayectoria se
deflactará más.
Si la muestra está constituida por isótopos del mismo elemento, todos
tendrán la misma carga, pero los que sean más pesados se deflactarán
menos.
Por tanto, haces de iones de distinta relación carga/masa llegarán a
puntos diferentes de un detector, y, en función de la intensidad de las
señales que dejan, se determina la abundancia relativa de cada tipo.
El primer espectrómetro de masas fue desarrollado en la década de
1920 por el físico inglés Francis William Aston, y recibió en 1922 el
Premio Nobel de Química por su desarrollo.
Tomado de :
http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/magne
t/espectrometro.html
Aplicaciones
2.Dibuje un esquema que ilustre el principio de
funcionamiento de un magnetrón (el corazón de un
horno de microondas) de masas y explicite dónde
están las leyes de Maxwell
Magnetrón
Funcionamiento




Un cátodo cilíndrico ubicado en el centro emite electrones. A este
se suministra una potencia pulsante o continua de muchos miles
de voltios (negativo con respecto al ánodo).
Rodeado por un ánodo en bloque cilíndrico, separado y aislado
del cátodo.
El bloque cilíndrico del ánodo tiene múltiples cavidades en forma
de canal alrededor del cátodo. En el centro de las cavidades
encuentra el cátodo.
La longitud de onda de la energía de microondas es de
aproximadamente 7,94 veces el diámetro de las cavidades. (Para
la frecuencia de 2.45 GHz (12,4 cm) empleadas en un horno de
microondas, que esto se traduciría en una cavidades de 15,7 mm
de diámetro aproximadamente.
eficiencia y éstos son a menudo, tubos de alta potencia (muchos
de kilovatios).




Una antena conectada a una de las cavidades del cilindro
recoge la energía y la envía a la guía de ondas.
Todo el montaje se coloca dentro de un potente campo
magnético (varios miles de Gauss en comparación con el
campo magnético de la Tierra de alrededor de .5 Gauss).
Este suele ser suministrado por imanes permanentes,
aunque también se han utilizado electroimanes.
La refrigeración del bloque ánodo debe realizarse por
aire forzado, el agua o aceite ya que el proceso de
generación de microondas tiene sólo alrededor de 60 a
75% de eficiencia y éstos son a menudo, tubos de alta
potencia (muchos de kilovatios).
Tomado de:
http://www.comunidadelectronicos.com/articulos/microondas1.htm#micmagcono
Diseño
Basado en la Leyes del electromagnetismo y resto
de información que Usted ha aprendido en este
curso de física diseñe un dispositivo, aparato,
sistema, etc.
PISTA: dele rienda suelta a su imaginación sin MAP.
Sistema de control de entrada de
agua a una hidroeléctrica

Este semestre he tenido contacto con la generación de
energía eléctrica en una hidroeléctrica.
Este proceso es relativamente sencillo; a grandes rasgos
y de manera muy general consiste, en un embalse en el
que se retiene agua que se obtiene a partir de las
lluvias, cuando se permite el flujo de agua esta es
direccionada por un sistema de túneles y tuberías hasta
el distribuidor de la turbina hidráulica que, como su
nombre lo dice, distribuye el agua de manera que se
genera energía mecánica al producirse la rotación del
Rotor que a su vez mueve un generador que consiste en :
Una espira que gira impulsada por algún medio externo.
Un campo magnético uniforme, creado por un imán, en el seno del cual gira la espira
anterior

A medida que la espira gira, el flujo magnético a través de
ella cambia con el tiempo, induciéndose una fuerza
electromotriz, y si existe un circuito externo, circulará una
corriente eléctrica.
De esta manera se convierten la energía cinética y potencial
en energía eléctrica, posteriormente el agua sale de la central
siguiendo su cause entre otros.
Aunque es un método bastante “verde” para generación de
energía he identificado un problema.
El complejo turbina-generador siempre está en funcionamiento,
la energía que se genera es distribuida instantáneamente , es
decir, no se almacena. El problema consiste en que a altas
horas de la noche la demanda de energía es mucho menor,
por lo que la energía generada se termina disipando en calor.
En un mundo como el nuestro, en el cual es inevitable una crisis
energética no nos podemos dar el lujo de degradar energía a
su estado más “burdo” como lo es el calor. Es por esto que he
ideado una forma de evitar este tipo de pérdidas. Todo
consiste en un circuito, que consista principalmente en una
resistencia sensible a la intensidad de rayos UV (entre los 400
nm y los 15 nm ). De esta manera, a la hora en la que más se
mueven las ciudades y donde el consumo energético es mayor,
que son las horas de la tarde, nuestra resistencia tendría un
valor.

Dicho valor determinaría el tamaño de la abertura
para el paso de agua del embalse a las tuberías y
posteriormente a la turbina, por tanto a las horas
de la noche donde la intensidad de radiación
ultravioleta es menor que en el día, el paso de
agua se restringiría con una rejilla. De esta manera
se podría controlar el paso de agua y por tanto la
producción de energía hidráulica.