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EM2011
Serie de Problemas 02
-Aplicaciones-
G 09 NL 07 Johanna Benitez
Universidad Nacional de Colombia
Depto. de Física
Mayo 2011
Aplicaciones
1. Espectrómetro de masas:
¿Qué es un espectrómetro?
• Un espectrómetro es una técnica experimental que
permite la medición de iones derivados de moléculas.
• Permite a su vez analizar con precisión la composición de
diferentes elementos químicos e isótopos atómicos,
separando los núcleos atómicas en función masa – carga
(m – z).
• Esta técnica experimental tiene muchas aplicaciones,
entre ellas la identificación de drogas de abuso y sus
metabolitos en sangre, orina y saliva, el control de
compuestos orgánicos volátiles en el agua de suministro,
entre muchas otras.
¿Cómo funciona?
•
Todos los elementos de espectrómetro
DEBEN estar en una cámara de vacío.
•
Se toma una muestra de la mezcla de
partículas evaporando las moléculas
tomadas.
Ésta muestra pasa por dos placas
aceleradoras, una con caída de potencial
positiva y otra negativa.
•
•
Mientras las moléculas viajan a cierta
velocidad, se ionizan mediante un haz de
electrones, es decir, son “bombardeados ”
por varios electrones, ubicados en el
“cañón de electrones”.
•
Los iones positivos son acelerados por un
campo eléctrico, lo que hace que los iones
experimenten una fuerza representada
así:
F = qE
¿Cómo funciona?
•
•
•
Luego, los iones positivos pasan por
una zona del espacio donde existe un
campo magnético B, representado
por la Ley de Lorentz de la siguiente
forma:
F = qv x B
Como la fuerza resultante es
perpendicular a la trayectoria de los
iones tendrá una “ACELERACIÓN
NORMAL”. Una Aceleración normal
representa un cambio en el vector
velocidad y en la aceleración
tangencial que experimenta una
partícula, es decir, el cambio que tuvo
al momento de pasar por el campo
magnético.
Finalmente, los iones positivos se
desviarán describiendo una
trayectoria curva.
¿Cómo funciona?
•
•
•
Aplicando la segunda Ley de Newton,
observamos que los iones, al presentar
una trayectoria curva o circular,
presentan una Fuerza centrípeta,
representada así:
Fc = mac
Fc = mv²/R
Aplicando a su vez la Fuerza de
Lorentz, tenemos:
F = qv x B
qv x B = mv²/R
R = qv / qB
Recordemos que para un valor fijo de
velocidad y del módulo del campo
magnético, cuanto menor sea el
cociente m/q menor será el radio de
curvatura R de la trayectoria descrita
por los iones, y por lo tanto su
trayectoria se desviará aún más.
¿Cómo funciona?
•
•
•
Esto nos indica que los iones se
desviarán más o menos dependiendo
de su masa: se desviarán más si la
masa del ion es menor (más liviana),
y menos si la masa del ion es mayor
(más pesada).
El paso final, consiste en el paso de
los iones resultante a través de una
pantalla llamada “detector”, que
mide exactamente cuán lejos se ha
desviado cada ion.
A partir del dato que nos brinda el
detector, podemos calcular el
“cociente masa por unidad de carga”,
lo que nos permite determinar con
mucha certeza cuál es la
composición química de la muestra
original.
Leyes de Maxwell
Podemos encontrar las Leyes de Maxwell en el espectrómetro de masas.
•
•
La Ley de Coulomb:
Esta ley la podemos encontrar al
momento en el que los iones pasan
a través de las placas que tienen una
diferencia de potencial (una está
cargada positivamente y la otra
negativamente).
La Ley de Ampere:
Esta ley se puede observar en el
instante en el que el campo eléctrico
por el que pasan los iones hace que
aparezca un campo magnético que a
su vez hace que, por ser
perpendicular a la velocidad del ion
y al campo eléctrico hace que los
iones se desvíen de su trayectoria
normal.
•
•
Ley de Gauss:
Esta ley no la podemos encontrar en
el espectrómetro de masas ya que
esta ley especifica la inexistencia de
monopolos
magnéticos
(cargas
magnéticas); solo existen las cargas
eléctricas y por lo tanto los
monopolos eléctricos.
Ley de Faraday:
Esta ley se puede observar cuando se
aplica un campo magnético para
atraer los iones, que luego genera un
campo magnético que hace que los
iones se desvíen de su trayectoria
para pasar a una placa llamada
“detector”.
Aplicaciones
2.Magnetrón:
¿Qué es un magnetrón?
• Un magnetrón es un dispositivo que convierte el voltaje
que recibe el capacitor y el transformador que tiene un
horno microondas y los transforma en ondas
electromagnéticas.
• El magnetrón tiene dos usos principales:
– El radar, que usa las ondas electromagnéticas para medir
distancias, altitudes, direcciones y velocidades de objetos
estáticos o móviles.
– El horno microondas, que no produce calor por sí mismo, sino
cuando las microondas actúan con el agua, los azúcares y las
grasas.
• El magnetrón genera un campo de fuerza alterno.
¿Cómo funciona?
•
Magnetrón
•
Campo
magnético
•
•
Cable de
cobre
•
El magnetrón es un tubo vacío (ánodo)
con un imán en uno de sus extremos.
Dentro del magnetrón hay un cable de
cobre que recibe la corriente eléctrica,
es decir, envía los electrones.
Esos electrones son enviados hacia el
borde exterior del tubo, donde los
imanes de los extremos crean un
campo magnético.
Este campo hace que la electricidad
salga del cable de cobre en forma de
rayos de electrones.
Cada vez que los electrones salen del
cable, van hacia delante y atrás
fluyendo en forma de U, a lo largo de
los bordes del magnetrón.
Como este proceso pasa tan rápido, se
producen microondas.
¿Cómo funciona?
•
Flujo de
electrones
en forma
de U
•
•
Antena
•
El magnetrón tiene una antena que
envía las microondas a la “guía de
ondas”.
El objetivo de esta guía es canalizar
las microondas en la cámara de
cocción. Las paredes de esta cámara
son metálicas, por lo que reflejan las
ondas para que reboten.
En un horno microondas, el objetivo
de la guía de ondas es conseguir que
las moléculas de la comida, sobre
todo el agua y las proteínas, se
puedan alinear con el cambiante
campo eléctrico alterno, producido
por el magnetrón.
En realidad el horno microondas es
el único horno cuya función no es el
de dar calor.
Leyes de Maxwell
Podemos encontrar las Leyes de Maxwell en el magnetrón.
•
•
La Ley de Coulomb:
Esta ley la podemos encontrar en el
magnetrón al momento de someter
los electrones a un campo eléctrico
para que los mismos se muevan en
forma de U y generen las
microondas.
La Ley de Ampere:
Esta ley se puede observar en el
instante en el que los electrones se
ven influenciados tanto por un
campo eléctrico como por uno
magnético, lo que hace que los
electrones produzcan oscilaciones
de alta frecuencia en las cavidades
del magnetrón.
•
•
Ley de Gauss:
Esta ley no la podemos encontrar en el
espectrómetro de masas ya que esta ley
especifica la inexistencia de monopolos
magnéticos (cargas magnéticas); solo
existen las cargas eléctricas y por lo
tanto los monopolos eléctricos.
Ley de Faraday:
Esta ley se puede observar cuando se
aplica un campo eléctrico para que los
electrones se muevan en el magnetrón,
los imanes que tiene el mismo generan
un campo magnético que hace que los
electrones que hay tanto en la cámara
de comidas como en la guía de ondas se
ubiquen de forma forzada de acuerdo
con el campo eléctrico variante.
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.
RESALTADOR “ENCENDIDO”
¿Cómo funciona?
Encendedor
almohadilla Mini espectrómetro
• Este dispositivo funciona
como un lápiz resaltador,
que repara los rayones
que podemos encontrar
en cualquier superficie.
• Su funcionamiento
consiste en que el “lápiz”
toma un pequeña
muestra del material en
cuestión (una micro
fracción), y por medio de
un dispositivo de
espectrómetro de masas
muy pequeño identifica
los componentes de la
muestra.
¿Cómo funciona?
• Automáticamente, replica
los iones que encontró en
la muestra y recarga una
pequeña almohadilla
ubicada en el interior del
resaltador.
• Automáticamente, el
resaltador es colocado
sobre la superficie rayada,
y la almohadilla comienza
a liberar la réplica de la
muestra tomada,
cubriendo la superficie.
• No obstante, después de
realizar este proceso, el
lapicero queda cargado
eléctricamente y listo para
liberar electrones en
forma de calor, lo que lo
convierte en un perfecto
encendedor en cualquier
ocasión.
• Un elemento práctico,
elegante y cómodo para
llevar a cualquier lugar y
utilizarlo en cualquier
ocasión.