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EM2011
Serie de Problemas 02
-Aplicaciones-
G 10NL11 EDGAR ALEJADRO
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
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El espectrómetro, o espectrógrafo, es un aparato capaz de analizar el espectro
característico de un movimiento ondulatorio. Se aplica a variados instrumentos
que operan sobre un amplio campo de longitudes de onda.
Un espectrómetro óptico o espectroscopio, es un instrumento que sirve para
medir las propiedades de la luz en una determinada porción del espectro
electromagnético. La variable que se mide generalmente es la intensidad
luminosa pero se puede medir también el estado de polarización
electromagnética, por ejemplo. La variable independiente suele ser la longitud de
onda de la luz, generalmente expresada en submúltiplos del metro, aunque alguna
vez pueda ser expresada en cualquier unidad directamente proporcional a
la energía del fotón, como lafrecuencia o los electrón-voltios, que mantienen un
relación inversa con la longitud de onda. Se utilizan espectrómetros
en espectroscopia para producir líneas espectrales y medir sus longitudes de
onda e intensidades.
En general, un instrumento concreto sólo operará sobre una pequeña porción de
éste campo total, debido a las diferentes técnicas necesarias para medir distintas
porciones del espectro. Por debajo de las frecuencias ópticas (es
decir, microondas, radiofrecuencia yaudio), el analizador de espectro es un
dispositivo electrónico muy parecido.
Aplicaciones
2.
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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
Un magnetrón es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en energía electromagnética en forma de microonda.
Fue desarrollado hacia el final de los años 30 con el fin de alimentar al radar mediante una fuente radioeléctrica potente
(varios cientos de vatios) y con una longitud de onda centimétrica, por lo tanto unas frecuencias elevadas para la época de
300 MHz a 3 GHz (ondas decimétricas) y más allá de 3 GHz (ondas centimétricas).
Los osciladores de tubos utilizados anteriormente eran incapaces de proporcionar tanta potencia (lo que suponía un alcance
insuficiente de los radares), a frecuencias tan elevadas (de donde una discriminación angular débil).
Básicamente consiste en un cilindro metálico, en el que hay dispuestas de forma radial una serie de oquedades o cavidades
resonadoras, que se comunican con una cavidad central mayor, en cuyo eje existe un filamento metálico de titanio.
El cilindro se comporta como ánodo y el filamento central como cátodo. El filamento, conectado al polo negativo de una
fuente de corriente continua, se pone incandescente y emite electrones por efecto termoiónico. El cilindro se conecta al
polo positivo y atraerá a los electrones. Todo este conjunto se encuentra dispuesto entre los polos de un potente
electroimán.
Por acción de este potente campo magnético, los electrones, en lugar de ir en línea recta hacia el cilindro, al ser atraídos
hacia las oquedades, realizan una trayectoria circular y, al penetrar en ella, se movilizan en remolino.
El espacio abierto entre la placa y el cátodo se llama el espacio de interacción. En este espacio los campos eléctricos y
magnéticos interactúan para ejercer la fuerza sobre los electrones. Dado que toda carga eléctrica crea a su alrededor un
campo electromagnético, todos los electrones en movimiento circular en las oquedades producen ondas electromagnéticas
–en este caso microondas– perpendiculares al desplazamiento de los mismos y de una frecuencia dependiente del tamaño
de las oquedades. Sin embargo, la frecuencia no es precisamente controlable, varía con los cambios en la impedancia de
carga, con cambios en la intersidad, y con la temperatura del tubo.Mediante un cable coaxial, se transmite la energía a un
director o radiador, constituido por una antena.
¿Que ocurre dentro de la placa?1
La forma de las cavidades u oquedades varía, se muestra en la Figura 3. El cable de salida suele ser una sonda o loop se
extiende en una de las cavidades a punto y junto a una guía de onda o en la línea coaxial.
a. De tipo ranura
b. De tipo paletas
c. De tipo sol naciente
d. De tipo agujero y rauran
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El proceso que se produce se puede dividir en cuatro fases :
- Fase 1: la producción y la aceleración de un haz de electrones Cuando no existe campo magnético, se produce un
movimiento uniforme y directo de los electrones desde el cátodo a la placa. Si la intensidad del campo magnético
aumenta la curva que dibujan los electrones es más pronunciada. Cuando se alcanza el valor del campo crítico, los
electrones son desviados lejos de la placa y la intensidad en la placa cae. Cuando la intensidad de campo se hace
aún mayor , las caidas de corriente de placa llegan a cero.
- Fase 2: La velocidad de modulación del haz de electrones El campo eléctrico en el oscilador magnetrón es el
producto de los campos de CA y CC. El campo de CC se extiende radialmente a partir de segmentos adyacentes del
ánodo al cátodo. Los campos de corriente alterna, que se extienden entre los segmentos adyacentes, se muestran
en un instante de la magnitud máxima de una alternancia de las oscilaciones del rf que se producen en las
cavidades. Los electrones que se mueven hacia los segmentos de ánodo cargado positivamente se aceleran.
Obtienen una mayor velocidad tangencial. Por otro lado los electrones que se mueven hacia los segmentos con
carga negativa reducen su velocidad. Como consecuencia de una velocidad tangencial menor.
- Fase 3: Formación de un "espacio de carga de la rueda" La acción acumulativa de muchos electrones regresando
al cátodo, mientras que otros se mueven hacia el ánodo forma un patrón parecido a los radios de una rueda en
movimiento conocido como "el espacio de carga de la rueda". La rueda de carga espacial gira alrededor del cátodo
a una velocidad angular de 2 polos (segmentos de ánodo) por ciclo del campo de corriente alterna. Esta relación
de fase permite la concentración de electrones para liberar de forma permanente energía para mantener las
oscilaciones de radiofrecuencia.
- Fase 4: Distribuir la energía para el campo de ca Recordemos que un electrón en movimiento contra un campo E
es acelerado por el campo y toma la energía del campo. Además, si prescindimos de la energía de un electrón en
un campo y se ralentiza el movimiento en la misma dirección que el campo (de positivo a negativo). El electrón
pasa la energía de cada cavidad a medida que pasa el tiempo y llega al ánodo cuando su energía se gasta. Por lo
tanto, el electrón ha ayudado a mantener las oscilaciones, ya que ha tomado la energía del campo de cd y le ha
dado al campo de corriente alterna.
Normalmente, para que los imanes permanentes no dejen de funcionar por alcanzar la temperatura de Curie, los
magnetrones industriales se enfrían con agua, o en su defecto, con un sistema de dispersión que consiste en
placas metálicas, que a la vez filtran las ondas electromagnéticas producidas, gracias al principio de resonancia.
El Magnetrón puede producir salidas de potencia continua de más de 1 kW de potencia a una frecuencia de 1
GHz. La salida baja a medida que la frecuencia aumenta. Por ejemplo, a los 10 GHz, un magnetrón puede producir
de 10 a 20 vatios de la radio frecuencia de salida continua.
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.
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Un posible esquema de una
aplicación de las leyes del
electromagnetismo seria utilizar la
fuerza que se origina al hacer pasar
corriente por una bobina para
diseñar un modelo de plataforma
impulsora que permita aprovechar
esta fuerza en el arranque en por
ejemplo un nuevo vehiculo
aprovechando el torque que se
genera para hacer mover las ruedas
• Se induciría un campo
magnético alrededor del
eje y este a su vez
permitira que el auto
pueda moverse y seria
una forma de contribuir
con el medio ambiente .
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