21.6: Aplicaciones
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Selector de velocidad y espectrómetro de masas
En el Ejemplo 21.2.1, describimos cómo las partículas cargadas con diferentes relaciones carga-masa sufrirán un movimiento circular uniforme con diferentes radios, si todas tienen la misma velocidad. Este principio se utiliza en espectrómetros de masas, que son dispositivos que son capaces de detectar trazas de materia en una muestra. Por ejemplo, cuando su bolsa es deslizada con una cinta adhesiva en un cheque de seguridad en el aeropuerto, ese trozo de cinta adhesiva es luego analizado por un espectrómetro de masas.
La cinta se vaporiza de manera que ioniza los átomos de la cinta. Luego, los iones se aceleran a través de una diferencia de potencial eléctrico y luego pasan por una región con un campo magnético. Los iones suelen ejecutar la mitad de una órbita circular antes de ser detectados, como se ilustra en la Figura\(\PageIndex{1}\). La relación carga-masa de los iones se determina a partir del radio de su órbita. Por lo general, su carga es una o dos veces la carga de electrones, permitiendo determinar su masa.
Para que el espectrómetro de masas funcione como se diseñó, es importante que todas las partículas cargadas ingresen a la región del campo magnético con la misma velocidad. Un selector de velocidad es un dispositivo que combina campos eléctricos y magnéticos perpendiculares para seleccionar solo partículas de cierta velocidad, independientemente de su masa. El selector de velocidad se ilustra en la Figura\(\PageIndex{2}\)
En un selector de velocidad se ejerce tanto una fuerza eléctrica como una magnética. La figura\(\PageIndex{2}\) muestra una partícula positiva moviéndose hacia la derecha con velocidad,\(v\). La partícula experimentará una fuerza eléctrica ascendente y una fuerza magnética hacia abajo. Si esas dos fuerzas son iguales, entonces la partícula se moverá en línea recta. Si, en cambio, una de las fuerzas es mayor que la otra, la partícula será desviada y golpeará una de las placas cargadas. La condición para que las dos fuerzas sean iguales viene dada por:\[\begin{aligned} F_B &= F_E\\ qvB &= qE\\ \therefore v=\frac{E}{B}\end{aligned}\] Así, los campos eléctrico y magnético se pueden afinar para que su relación dé la velocidad deseada. Tenga en cuenta que el selector de velocidad funciona independientemente del signo de la carga o su masa, lo que lo hace ideal para filtrar las partículas que ingresan a un espectrómetro de masas.
Galvanómetro
El galvanómetro hace uso de la fuerza magnética para medir la corriente eléctrica. En un galvanómetro, se coloca una bobina (muchos bucles) en un campo magnético conocido. A medida que la corriente pasa a través de la bobina, el momento dipolar magnético de la bobina aumenta, y el campo magnético ejerce un par sobre la bobina. El par de torsión de la fuerza magnética se equilibra con el par restaurador de un resorte torsional (un resorte en espiral). Una aguja se une a la bobina, y la deflexión de la aguja, proporcional a la corriente en la bobina, es entonces una medida de la corriente a través de la bobina. Un galvanómetro se ilustra en la Figura\(\PageIndex{3}\).
Motor eléctrico
En un motor eléctrico, una bobina portadora de corriente (muchos bucles) se sumerge en un campo magnético fijo y uniforme. A medida que la corriente pasa a través de la bobina, la bobina experimenta un par y gira. Una vez que la bobina ha alcanzado una posición donde su vector de momento dipolo magnético es paralelo al campo magnético, se invierte la dirección de la corriente, de manera que la bobina continúa sintiendo un par por otra media vuelta, hasta que la dirección de la corriente se invierte nuevamente. Esto se ilustra en la Figura\(\PageIndex{4}\).
Tubo de rayos catódicos
El tubo de rayos catódicos es el componente principal de los televisores y monitores antiguos. En esos dispositivos, un haz de electrones es acelerado por una diferencia de potencial eléctrico. Los electrones chocan luego con una pantalla fosforescente, que emite luz cuando los electrones chocan con la pantalla. Se utiliza un campo magnético para desviar el haz de electrones a diferentes partes de la pantalla y crear la imagen deseada, en un movimiento de barrido rápido, lo suficientemente rápido como para que el ojo humano no pueda detectar el movimiento de barrido. Un ejemplo de un tubo de rayos catódicos se muestra en la Figura\(\PageIndex{5}\).
Altavoces
En un altavoz, una bobina se sumerge en un campo magnético no uniforme. La bobina se une a una membrana para que la membrana se mueva con la bobina cuando se ejerce una fuerza magnética sobre la bobina. La corriente AC circula en la bobina, con las mismas frecuencias que el sonido deseado. La bobina luego se mueve a esas frecuencias y la membrana desplaza entonces el aire, creando las ondas sonoras deseadas.