Fisica General Burbano

482 EL CAMPO MAGNÉTICO
Fig. XXI-24.– Cinturones de Van Allen. Las partículas cargadas de
los rayos cósmicos están atrapadas en el campo magnético terrestre
y se mueven a lo largo de las líneas de campo que existen entre los
polos norte y sur de forma semejante a como lo hacen dentro de
una botella magnética.
Fig. XXI-25.– Esquema del ciclotrón.
Se ha aplicado la botella magnética para confinar a alta temperatura
(10 6 ºC) gases que constan de electrones e iones positivos (plasma), con
el fin de lograr un proceso de fusión nuclear controlado, lo que proporcionaría
una fuente casi ilimitada de energía; pero la botella magnética
tiene sus problemas; al confinar en ella altas densidades de partículas y
chocar entre ellas, ocurre que se «fugan» del sistema, y se ha fracasado
en el intento.
Un movimiento semejante al que tiene lugar en la botella magnética,
es el de las oscilaciones de los llamados RAYOS CÓSMICOS (partículas cargadas
que se originan en el Sol, las estrellas y otros cuerpos del Universo;
los protones, que son átomos de hidrógeno ionizados, son expelidos
por el Sol durante las grandes tormentas magnéticas); estos rayos cósmicos
quedan atrapados en los llamados CINTURONES DE RADIACIÓN DE James
Alfred VAN ALLEN (1914) (Fig. XXI-24), debido a la interacción entre
dichas partículas cósmicas con el campo magnético terrestre. Los cinturones
están compuestos principalmente de electrones y protones
rápidos. El cinturón inferior se encuentra a unos 3 200 km de la superficie
terrestre, mientras que el superior se forma a unos 25 000 km de la
Tierra. Fueron detectados por primera vez por el satélite artificial norteamericano
Explorer I en 1958, y posteriormente estudiados por la sonda
lunar Pioner III.
XXI – 10. El ciclotrón y el sincrotrón
El CICLOTRÓN (Fig. XXI-25) es un aparato destinado a proporcionar
una gran velocidad a partículas atómicas electrizadas. Inventado por Ernest
O. Lawrence (1901-1958) en 1930, está constituido por una gran caja metálica cilíndrica de
pequeña altura, dividida diametralmente en dos partes separadas entre sí por un pequeño espacio.
A causa de su forma, a las dos partes del ciclotrón se les llama «des». Se comunica a éstas un campo
eléctrico alterno unos instantes hacia D 1
y otros hacia D 2
. Un potente electroimán origina un
campo magnético perpendicular al eléctrico.
Si se introduce entre las «des» una partícula P (positiva); el campo eléctrico origina una fuerza
sobre la carga que la arrastra hacia la «de» superior del dibujo y al penetrar en ella lleva una velocidad
v 1
; en el interior de la «de» existe solamente el campo magnético ya que las propias «des»
actúan de pantalla eléctrica. La carga en el interior de D 2
recorre una trayectoria semicircular de
radio dado por (5):
r
A la salida de D 1
la partícula sufre otro «empujón» por efecto del campo eléctrico que origina
una fuerza, ahora hacia D 2
, lo que provoca un aumento de velocidad. Si esta es v 2
, el nuevo recorrido
semicircular tiene un mayor radio que el del recorrido anterior:
r
1
2
mv1
=
qB
mv2
=
qB
Así, en sucesivas trayectorias semicirculares, cada vez de mayor radio y recorridas en el mismo
tiempo, (6) hace que la partícula electrizada vaya adquiriendo mayor velocidad y, por tanto, una
mayor energía cinética, cuyo valor será:
2 2 2
1 2 q B r
T = mv =
2 2m
Cuando la energía de las partículas electrizadas se hace mayor que 20 MeV aproximadamente,
entran en juego los efectos relativistas, aumentando el período de su órbita y desfasándose de la
tensión aplicada. Para resolver este problema, los ciclotrones se han ido sustituyendo (en el estudio
de la física nuclear) por máquinas más recientes tales como la llamada SINCROCICLOTRÓN, en estos
aparatos se ha modificado el período de la tensión aplicada, de manera que permanezca siempre
en fase con el período de giro de la partícula electrizada; el elevado costo de la construcción de estos
aparatos (necesitan radios muy grandes y en consecuencia el volumen del metal utilizado en la
construcción de los imanes, también es muy grande) hizo que se desarrollaran otro tipo de máquinas
denominadas SINCROTRONES (Fig. XXI-26), en las cuales el valor del campo magnético se incrementa
gradualmente con objeto de mantener a las partículas cargadas moviéndose en órbitas de
radio constante, de forma que se ven aceleradas en una cámara de forma toroidal en las que se
hace el vacío. Cada vez que un grupo o «racimo» de partículas realiza una revolución, se impulsa o
acelera al pasar por una sección del toroide que contiene campos eléctricos pulsantes de alta frecuencia
y es entonces cuando se incrementa el campo magnético en el toroide de forma correspondiente
para conseguir que permanezca constante el radio r = mv/qB; alcanzada la máxima
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