EM2011Serie de Problemas 02

-Aplicaciones-

G 09 NL 07 Johanna BenitezUniversidad Nacional de Colombia

Depto. de Física

Mayo 2011

Aplicaciones1. 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/RR = 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

• 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”.

• 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.

Podemos encontrar las Leyes de Maxwell en el espectrómetro de masas.

Aplicaciones2.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?• 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.

Magnetrón

Campo magnético

Cable de cobre

¿Cómo funciona?• 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.

Flujo de electrones en forma de U

Antena

Leyes de Maxwell

• 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.

• 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.

Podemos encontrar las Leyes de Maxwell en el magnetrón.

DiseñoBasado 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?• 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.

almohadilla

Encendedor

Mini espectrómetro

¿Cómo funciona?• 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.

• 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.