EM2011Serie de Problemas 02

-Aplicaciones-

G 10NL31JOANNAUniversidad 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/espectro.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 mayoGrupo 12 Martes 24 de mayoGrupo 09 Jueves 26 de mayo