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EM2011
Serie de Problemas 02
-Aplicaciones-
G 10NL31JOANNA
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
• El espectrómetro de Bainbridge es un dispositivo que
separa iones que tienen la misma velocidad. Después
de atravesar las rendijas, los iones pasan por un
selector de velocidades, una región en la que existen
un campo eléctrico y otro magnético cruzados.
• Los iones que pasan el selector sin desviarse, entran en
una región donde el campo magnético les obliga a
describir una trayectoria circular. El radio de la órbita es
proporcional a la masa, por lo que iones de distinta
masa impactan en lugares diferentes de la placa.
Selector de velocidades
El selector de velocidades es una región en la que existe un
campo eléctrico y un campo magnético perpendiculares entre
sí y a la dirección de la velocidad del ión. En esta región los
iones de una determinada velocidad no se desvían.
El campo eléctrico ejerce una fuerza en la dirección del campo.
El módulo de dicha fuerza es Fe=q·E
El campo magnético ejerce una fuerza cuya dirección y sentido
vienen dados por el producto vectorial Fm=q·v´B, cuyo módulo
esFm=q·vB1
El ión no se desvía si ambas fuerzas son iguales y de sentido
contrario. Por tanto, atravesarán el selector de velocidades sin
desviarse, aquellos iones cuya velocidad sea igual al
cociente entre la intensidad del campo eléctrico y del campo
magnético.
Región semicircular
• A continuación, los iones pasan a la región
donde el campo magnético hace que
describan trayectorias semicirculares hasta
que alcanzan la placa superior en la que
quedan depositados.En esta región, el ión
experimenta una fuerza debida al campo
magnético, cuya dirección y sentido viene
dada por el producto vectorial Fm=q·v´B, y
cuyo módulo es Fm=q·vB2.
Aplicando la ecuación de la dinámica del movimiento
circular uniforme, hallamos el radio de la trayectoria
circular.
Información tomada de:
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/espectrometro/e
spectro.html, en donde se puede encontrar una interesante
simulación del espectrómetro de masas.
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
Válvula termoiónica que transforma la energía
eléctrica aplicada a sus placas en energía
electromagnética de una frecuencia muy elevada.
(Microondas) con una gran potencia. Fue
diseñado con el fin de aplicarse en el Radar en el
año 1930 .Es capaz de producir una onda
radioeléctrica con una potencia de algunos
cientos deWatts en la gama de longitud de
onda centimétrica, superando a los circuitos
osciladores de válvulas al vacío que no podían
proporcionar la suficiente potencia efectiva que
requerían los radares para lograr un gran alcance.
Principio de funcionamiento
• Posee un filamento de titanio que, al calentarse
mediante una corriente eléctrica emite una nube
de electrones a su alrededor. Este filamento se
encuentra en una cavidad cilíndrica de metal al
que se le aplica un voltaje positivo elevado con
relación al filamento, éste cilindro fuertemente
cargado positivamente capta los electrones que
conforman la nube alrededor del filamento que
son cargas negativas. Estos electrones producto
de la forma cilíndrica del receptáculo viajarían en
forma radial.
• Un fuerte campo magnético aplicado mediante imanes
permanentes obligan a los electrones a girar alrededor
del filamento en forma espiral para alcanzar el polo
positivo de alto voltaje.
• Al viajar en forma espiral, los electrones conforman
una corriente eléctrica en el vacío que genera un
campo electromagnético cuyo vector es perpendicular
al desplazamiento de los mismos, esta onda sale del
cilindro por un orificio construido al efecto y pasa a
un guía de onda y posteriromente a un dispositivo
radiante. (antena, etc)
• Para que los imanes permanentes no pierdan su
capacidad ferromagnética al elevarse la temperatura,
los magnetrones suelen poseer algún tipo de
enfriamiento
• El ANODO (o placa) es un cilindro hueco de hierro del
que se proyecta un número par de paletas hacia
adentro, como se muestra en la figura 7-3. Las zonas
abiertas en forma de trapezoide entre cada una de las
paletas son las cavidades resonantes que sirven como
circuitos sintonizados y determinan la frecuencia de
salida del tubo. El ánodo funciona de tal modo que los
segmentos alternos deben conectarse, o sujetarse,
para que cada segmento sea de polaridad opuesta a la
de los segmentos adyacentes. De hecho, las cavidades
se conectan en paralelo con respecto a la salida.
La comprensión de lo anterior se facilita al considerar
la descripción del funcionamiento.
• El FILAMENTO (llamado también CALEFACTOR) sirve
como CATODO en el tubo, se ubica en el centro del
magnetrón y está sostenido mediante las puntas grandes y
rígidas, selladas y blindadas cuidadosamente dentro del
tubo.
• La ANTENA, una proyección o círculo conectado con el
ánodo y que se ex tiende dentro de una de las cavidades
sintonizadas, se acopla a la guía de onda hacia la que
transmite la energía de microondas.
Las otras partes del conjunto del magnetrón pueden variar
en cuanto a sus posiciones relativas, tamaño y forma, según
sea el fabricante. Para mantener tan sencilla como sea
posible la siguiente explicación del funcionamiento; sólo se
aclararán los términos que no sean evidentes.
• El CAMPO MAGNETICO lo producen imanes intensos
permanentes que están montados alrededor del
magnetrón, para que el campo magnético sea paralelo con
el eje del cátodo.
Usos
• En el campo de las radiocomunicaciones en el Radar,
como fuente de energía electromagnética en su
transmisor, aunque actualmente se han diseñado otros
elementos de similar cometido como el Tubo de Ondas
Progresivas (TOP), el Klistrón, el Carcinotrón, y
algunossemiconductores especiales.
• En la vida doméstica para la cocción de alimentos
mediante el horno microondas o microwave en ingles.
Este uso se explica ya que las ondas al pasar por los
alimentos hacen vibrar sus moléculas de agua e
incrementan su temperatura por la fricción entre estas,
por ello los que son en su mayor parte líquidos con un
punto de ebullición menor al de otros sólidos se
calientan más rápidamente.
• Este uso fue descubierto y aplicado por uno
de los ingenieros de la empresa fabricante de
magnetrones Raytheon Inc. Este técnico
descubrió con sorpresa cómo una barras de
chocolate que llevaba se había derretido al
estar trabajando cerca del radar. Este
fenómeno le llevó a pensar en el uso
doméstico de este dispositivo, llevándolo a la
fabricación del primer horno microondas.
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.
Observaciones
Esta tarea es para ser entregada en la
semana del 23 al 26.
Grupo 10
Lunes 23 de mayo
Grupo 12
Martes 24 de mayo
Grupo 09
Jueves 26 de mayo