1. Una carga puede experimentar fuerzas eléctricas o magnéticas. Explica cómo podría distinguirse si la fuerza recibida por la carga es producida por un campo eléctrico o magnético uniforme
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| Electromagnetismo: cuestiones teóricas 1. Una carga puede experimentar fuerzas eléctricas o magnéticas. Explica cómo podría distinguirse si la fuerza recibida por la carga es producida por un campo eléctrico o magnético uniforme. Cuando una partícula cargada está en una región donde existe un campo eléctrico experimenta una fuerza igual al producto de su carga por la intensidad del campo eléctrico Fel = q · E. Una partícula que se mueve en un campo magnético experimenta una fuerza dada por el producto vectorial  (Ley de Lorentz). Por lo tanto, para identificar si el campo es eléctrico o magnético basta con depositar una carga sobre éste y observar el resultado. Si se pone en movimiento será un campo eléctrico (el campo no depende de la velocidad), mientras que si no se desplaza puede que exista un campo magnético (depende de la velocidad: si v = 0 m/s Fmag = 0 N) o puede ser que no.Para comprobar finalmente si existe algún campo magnético, habría que darle una velocidad a la carga. Si ésta experimentara una fuerza que le hiciera variar su trayectoria, podríamos afirmar que se encuentra en un campo magnético. En caso contrario, no podríamos deducir la inexistencia, ya que podría darse la casualidad de que el campo magnético y la velocidad de la carga señalasen en la misma dirección, en cuyo caso la fuerza magnética sería nula. Para demostrar que realmente no existe ningún campo magnético, habría que variar la dirección inicial de la carga. Si en esta ocasión tampoco experimenta ninguna variación en su trayectoria habríamos demostrado que no existe ningún campo magnético en esa región del espacio. 2. Explica razonadamente si es posible poner en movimiento un electrón mediante un campo eléctrico. ¿Y mediante un campo magnético? La fuerza que experimenta un electrón situado en un campo eléctrico es el producto de su carga por la intensidad de campo (Fel = q · E). Basándonos en que el campo es uniforme también lo será la fuerza, y con ello la aceleración. Un electrón se podrá poner en movimiento mediante un campo eléctrico, porque su fuerza y campo son independientes a la velocidad de la carga. Según la Ley de Lorentz, un electrón que se mueve en un campo magnético experimenta una fuerza dada por el producto vectorial:  . Mediante un campo magnético homogéneo y constante no se podrá poner en movimiento un electrón porque la fuerza es proporcional a la velocidad y si el electrón tiene velocidad nula la carga no se desplazará. (Si v = 0 m/s Fmagn = 0 N)3. Un electrón y un protón con la misma energía cinética describen trayectorias circulares en un mismo campo magnético uniforme. Explica razonadamente: ¿cuál tiene la trayectoria de mayor radio? La energía cinética de cualquier partícula depende únicamente de su masa y de su velocidad:  Si las partículas describen trayectorias circulares, es porque las fuerzas centrífugas y las fuerzas magnéticas se están compensando.  Como se observa de la última fórmula, el radio de la trayectoria depende de cuatro magnitudes, de las cuales tres son iguales: la energía cinética, el cuadrado de la carga y el campo magnético en el que se encuentran. La única magnitud distinta es la masa. A mayor masa de la partícula mayor radio de la trayectoria. Por lo tanto, el protón describirá una trayectoria con mayor radio debido a su mayor masa. La relación entre los radios de las trayectorias vendrá dada por:  El radio de la trayectoria descrita por el protón es casi 43 veces mayor que el descrito por la trayectoria del electrón. 4. Describe el fundamento físico de un ciclotrón: El método directo de acelerar iones utilizando la diferencia de potencial presentaba grandes dificultades experimentales asociadas a los campos eléctricos intensos. El ciclotrón evita estas dificultades por medio de la aceleración múltiple de los iones hasta alcanzar elevadas velocidades sin el empleo de altos voltajes.  El estudio del ciclotrón se ha dividido en dos fases:
1. El ciclotrón consta de dos placas semicirculares huecas, dentro de un campo magnético uniforme que es normal al plano de las placas y se hace el vacío. A dichas placas se le aplican oscilaciones de alta frecuencia que producen un campo eléctrico oscilante en la región diametral entre ambas. Como consecuencia, durante un semiciclo el campo eléctrico acelera los iones, hacia el interior de uno de los electrodos, llamados 'Des', donde se les obliga a recorrer una trayectoria circular mediante un campo magnético y finalmente aparecerán de nuevo en la región intermedia. Cuando los iones vuelven a la región intermedia, el campo eléctrico habrá invertido su sentido y los iones recibirán entonces un segundo aumento de la velocidad al pasar al interior de la otra 'D'. 2- Como los radios de las trayectorias son proporcionales a las velocidades de los iones, el tiempo que se necesita para el recorrido de una trayectoria semicircular es independiente de sus velocidades. El radio de la circunferencia se calcula así:  5. Explica qué es y para que sirve un espectrómetro de masas Un espectrómetro de masas es un dispositivo que nos permite separar isótopos.
½ • m • v2 = qΔV Por tanto, adquieren una velocidad: 
E  l valor del radio puede medirse directamente en el espectrómetro haciendo incidir los iones sobre una pantalla o una película fotográfica después de que hayan recorrido una semicircunferencia. Se observa que como los diferentes isótopos tienen igual carga eléctrica Q pero distinta masa m, sus radios de desviación son distintos y podemos separarlos y determinar su relación masa-carga. 6. Enuncia la ley de Faraday-Henry y Lenz y explica cómo se produce una corriente eléctrica en una espira que gira en un campo magnético uniforme. Ley de Faraday-Henry:S  i uno conecta un galvanómetro a una bobina, sin nada más, el galvanómetro no deberá señalar nada: por allí no circula corriente de ningún tipo. Pero ahora bien, al acercar o alejar un imán de la bobina descubriría un hecho sorprendente: el galvanómetro marcaría una tenue corriente durante este proceso. Esta experiencia, similar a las llamadas experiencias de Faraday, demuestra claramente que existe una relación entre el campo magnético y el eléctrico. Si en la experiencia anterior uno acerca un imán a la bobina y lo deja ahí vería que el galvanómetro marca corriente mientras el imán se mueve, pero no cuando le dejamos quieto. Este fenómeno constituye la esencia de la ley de Faraday y Henry, que podemos ya enunciar:  En esta fórmula  es la fuerza electromotriz inducida y es el flujo magnético que atraviesa la superficie delimitada por el circuito. Así pues la variación del flujo magnético ocasiona la aparición de una fuerza electromotriz (trabajo realizado por unidad de carga a lo largo de un circuito). Como el flujo magnético es  esta variación puede deberse a tres causas diferenciadas o a una mezcla de todas:
Ley de Lenz: ¿Y qué significa el signo menos en la expresión anterior? Éste puede deducirse de un principio físico más general, conocido con el nombre de Ley de Lenz que afirma que “la fuerza electromotriz inducida posee una dirección y sentido tal que tiende a oponerse a la variación que la produce”. Atendiendo a la cuestión de cómo una espira podría crear o inducir una corriente eléctrica en un campo magnético uniforme, se explicará en qué consiste el alternador. El Alternador consiste en una espira plana que se hace girar a una velocidad angular  constante en un campo magnético uniforme  creado por imanes permanentes. A medida que la espira gira en el campo magnético, el flujo magnético que la atraviesa varía y, por tanto, se induce una f.e.m. en la espira que hace circular una corriente eléctrica en el circuito exterior. Si la espira tiene un área S, el flujo magnético que la atraviesa en cada instante de tiempo es:  , donde es el ángulo que forma el vector superficie  con el vector magnético  . La espira gira con una velocidad angular constante . Por tanto, el ángulo puede escribirse como  . Entonces, el flujo magnético que atraviesa la espira en cada instante de tiempo es:  Según la Ley de Faraday, la fuerza electromotriz inducida es:   es la fuerza f.e.m. inducida máxima.Dicha f.e.m. varía en el tiempo de forma sinusoidal. Es decir, es periódica y cambia alternativamente de polaridad. La frecuencia de la fuerza electromotriz inducida coincide con la del movimiento de la espira y viene dada por  .Figura 1.- Alternador elemental. 7. ¿Qué condiciones debe cumplirse para que en un circuito atravesado por un campo magnético se genere una corriente eléctrica inducida? Enuncia la ley que explica este hecho experimental. La corriente que circula por un circuito atravesado por un campo magnético se denomina corriente inducida y es producida por la f.e.m (fuerza electromotriz) inducida, que se crea a causa de la variación de flujo magnético que atraviesa la bobina. El flujo magnético puede variar por alguna de las tres causas indicadas a continuación o por cualquier combinación de ellas:
La rapidez de la variación de este flujo es la responsable de la f.e.m. inducida, cuyo valor es:  El signo negativo indica que la f.e.m. se opone siempre a la causa que la origina (Ley de Lenz)  En el caso de una bobina con N espiras, la f.e.m. inducida es: 8. Explica razonadamente qué opciones son correctas. Una corriente inducida se puede obtener: a) colocando un imán enfrente de una espira. b) colocando dos imanes cercanos. c) aproximando o alejando un imán o de una espira. d) manteniendo fijo un imán dentro de una espira. La única que es correcta es la c), porque es el único caso en el que existe variación del flujo magnético que atraviesa la espira, que es el causante de que se cree una fuerza electromotriz. Cuestiones teóricas – Electromagnetismo |
