Fisica General Burbano

FUERZA DE LORENTZ: APLICACIONES 483
energía posible, las partículas son desviadas hacia el exterior de la máquina mediante campos
magnéticos, dirigiéndose hacia los blancos experimentales. Un acelerador construido en Batavia,
Illinois, al que se le llama Fernilab (Fermi National Accelerator Laboratory), es el acelerador segundo
mayor del mundo. El sincrotrón más grande en la actualidad, se encuentra en el Centro Europeo
para la Investigación Nuclear (CERN), cuenta con una circunferencia de 27 km aproximadamente,
y las partículas que en él se aceleran hasta velocidades cercanas a las de la luz rodean el
acelerador hasta 11 000 veces por segundo.
PROBLEMAS: 18y 19.
XXI – 11. El selector de velocidades y el espectrómetro de masas
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El SELECTOR DE VELOCIDADES es un aparato que proporciona un haz de partículas que se mueven
con la misma velocidad.
Para lograr esto, establecemos entre dos placas paralelas una diferencia de potencial que nos
suministra un campo eléctrico uniforme, y perpendicularmente a él un campo magnético también
uniforme. Suponiendo que las partículas procedentes de una fuente tienen carga positiva, seleccionando
con un diafragma circular las que tienen una dirección perpendicular a ambos campos, al
penetrar en ellos, sólo aquellas partículas sobre las que se equilibre la fuerza eléctrica qE y la
magnética qvB no se desviarán, es decir, aquéllas que poseen una velocidad tal que:
aquellas partículas, procedentes de la fuente, que tengan velocidades mayores que ésta, chocarán
con la placa superior, las de menor velocidad se desviarán hacia abajo. (Fig. XXI-27).
El ESPECTRÓMETRO DE MASAS es un aparato que separa iones atómicos y moleculares (partículas
cargadas) cuya razón «masa/carga» sea diferente. Por ejemplo, si se introducen en el aparato iones
de los ISÓTOPOS (átomos de distinta masa, que en su núcleo poseen el mismo número de protones)
de una sustancia, por tener la misma carga y distinta masa, el aparato los separa.
El espectrómetro de masas consta de una fuente F de iones acelerados a través de un potencial
de algunos miles de voltios, que se hacen penetrar en un «selector de velocidades», con lo que se
conocerá la velocidad de salida (la misma para todos) de los iones de éste. A la salida del selector,
los iones se desplazan perpendicularmente a un campo magnético uniforme que hace que los iones
que no tengan el mismo valor en su relación «masa/carga», describan distintas trayectorias circulares,
puesto que el radio de éstas es: r = mv/q B. Haciéndolas incidir sobre una placa fotográfica
AA′ (Fig. XXI-28), una vez revelada, podremos medir los radios de las trayectorias de los diferentes
iones, con lo que conoceremos la razón m/q = Br/v (en la placa fotográfica se obtiene el
espectro de masas, razón por la que a este aparato se le llama también ESPECTÓGRAFO DE MASAS). Si
los iones introducidos en el aparato son de la misma sustancia, y conocemos su carga, podremos
calcular las masas de los isótopos de la sustancia.
PROBLEMAS: 20al 23.
XXI – 12. El efecto Hall
Edwin Herbert Hall (1855-1938), en 1879, descubrió que cuando un conductor por el que circula
una corriente, se sumerge en un campo magnético, se genera una tensión en una dirección
perpendicular a la corriente y al campo magnético. Este fenómeno, llamado EFECTO HALL, proviene
de la desviación de los portadores de carga hacia uno de los lados del conductor, debida a la fuerza
ejercida por el campo magnético sobre estos portadores. El análisis experimental de los resultados
obtenidos por este efecto, proporciona información sobre el signo de los portadores de carga
en los conductores, el número de ellos por unidad de volumen (densidad numérica de portadores
de carga), y proporciona un método para la medida de campos magnéticos.
El dispositivo experimental para observar el efecto Hall consta de un conductor metálico en
forma de cinta plana por la que circula una intensidad de corriente I; admitamos, de momento,
que los portadores de carga son positivos y que se mueven en la dirección de la corriente; por la
fuerza de Lorentz habrá una acumulación de carga positiva en la parte izquierda de la cinta (Fig.
XXI-29a), dejando en la parte derecha un exceso de carga negativa; la carga seguirá acumulándose
en los bordes hasta que la fuerza sobre los portadores de carga debida al campo eléctrico producido
por esta separación, equilibre la fuerza debida al campo magnético sobre estos portadores.
En esta posición de equilibrio, si colocamos un voltímetro, como se indica en la figura, podremos
medir la diferencia de potencial generada en los bordes de la cinta. Por otra parte, si los portadores
son negativos, estos se acumularán en la parte izquierda de la cinta (Fig. XXI-29b) y la parte
derecha quedará cargada positivamente; una vez alcanzado el equilibrio, un voltímetro colocado
de la misma manera que en el caso anterior, nos medirá la diferencia de potencial entre los bordes
de la cinta. Los experimentos realizados con la corriente y el campo en las direcciones indicadas
en la figura, demuestran que la parte izquierda de la cinta lleva una carga negativa (posee un po-
E
qE= qvB ⇒ v=
B
Fig. XXI-26.– Esquema de un sincrotón.
Fig. XXI-27.– Selector de velocidades.
Fig. XXI-28.– Espectrógrafo de masas.