Descripción de la tarea

Desarrollo

Actividad 1.

La espectrometría de masas es una técnica de análisis que permite determinar la masa de las partículas presentes en una muestra. El espectrómetro permite analizar con gran precisión la composición de diferentes elementos químicos e isótopos atómicos, separando los núcleos atómicos en función de su relación carga-masa (z/m). Se utiliza para identificar los diferentes elementos químicos que forman un compuesto, o para determinar el contenido isotópico de diferentes elementos en un mismo compuesto. En la industria es altamente utilizada en el análisis elemental de semiconductores, biosensores, cadenas poliméricas complejas, fármacos, productos de síntesis química, análisis forense, contaminación medioambiental, perfumes y todo tipo de sustancias que sean susceptibles de pasar a fase vapor e ionizarse sin descomponerse.

Científica preparando muestra para espectrómetro de masas

Científica preparándose para utilizar el espectrómetro de masas. Imagen de dominio público en Wikipedia. 

Grosso modo el funcionamiento de un espectrómetro es el siguiente. La muestra se introduce en un ionizador que mediante el bombardeo de electrones da lugar a una serie de iones de las moléculas o parte de estas. Estos iones son acelerados por un campo eléctrico. Se pueden utilizar campos eléctricos y magnéticos combinados para seleccionar la velocidad de los iones. A continuación sufren el efecto de un campo magnético que curva sus trayectorias de diferente modo en función de sus masas y cargas. El espectrómetro ofrece un gráfico donde se recuentan el número de partículas que han colisionado en un colector en función del cociente q/m.

En el siguiente simulador te mostramos el funcionamiento simplificado de un espectrómetro. En la zona 1 se aplican de forma combinada un campo eléctrico E1 y un campo magnético B1 para que solo pasen a la zona 2 los iones con determinada velocidad. En la Zona 2 se aplica un campo magnético B2 provocando que el ion curve su trayectoria. Hemos eliminado el sector previo que acelera a los iones. Las cargas se inyectan en la Zona 1 con velocidades diferentes pero todas ellas paralelas al eje Y. Todas las cargas son positivas.

Animación de onio72 en geogebratube bajo CC BY SA

La animación ofrece diferentes casos al recargar el navegador. Anota el caso y los datos con los que vas a trabajar y responde a las siguientes cuestiones:

  1. Explica qué expresión matemática permite calcular la fuerza ejercida por un campo eléctrico sobre una carga eléctrica indicando las unidades y el carácter escalar o vectorial de las magnitudes que intervienen.
  2. Explica qué expresión matemática permite calcular la fuerza ejercida por un campo magnético sobre una carga eléctrica móvil indicando las unidades y el carácter escalar o vectorial de las magnitudes que intervienen. Explica en qué consiste la operación matemática del producto vectorial y cómo se determina la dirección y sentido del vector resultante.
  3. Si una carga entra en una región como la zona 1 donde hay dos campos, uno eléctrico y otro magnético, ¿existe siempre fuerza eléctrica sobre la carga? ¿Y fuerza magnética? Argumenta tus respuestas explicando diferentes situaciones.
  4. Conociendo la dirección y sentido de la velocidad de la carga q1 así como de los campos E1 y B1, ¿en qué dirección y sentido van en este caso las fuerzas eléctrica y magnética?
  5. Sabiendo que la carga q1 describe una trayectoria recta sin desviarse a izquierda o a derecha en la Zona 1: ¿qué condición deben cumplir las fuerzas eléctrica y magnética?, ¿cuál es la velocidad de la carga?
  6. ¿Por qué se desvían a izquierda y derecha las cargas q2 y q3? ¿Qué fuerza predomina en cada caso? ¿Cuál de estas dos cargas se mueve con más velocidad y cuál con menos?
  7. ¿Qué fuerzas actúan sobre la carga q1 en la zona 2? Indica su dirección y sentido. ¿Produce aceleración sobre la carga? ¿De qué tipo? Deduce una expresión que te permita calcular la relación q/m de la carga q1 conociendo el radio de la circunferencia que describe en la Zona 2.
  8. Calcula la relación q/m de la carga qen este caso.
  9. ¿Qué ocurriría con el radio de curvatura en la Zona 2 de la trayectoria de la carga q1 si la velocidad con que se mueve se divide por 2? ¿Y si la carga fuera negativa?

Actividad 2.

En nuestra vida cotidiana usamos con mucha frecuencia los generadores de corriente y los motores eléctricos. Por poner un ejemplo, en los coches existe un motor de arranque que permite iniciar el movimiento del motor de combustión y que funciona gracias a la batería. Esa misma batería se recarga porque el coche dispone de otro dispositivo: el alternador. Tanto el motor de arranque que es un motor eléctrico, como el alternador basan su funcionamiento en los principios del electromagnetismo que estamos trabajando es esta unidad.

 

Te proponemos que trabajes en esta actividad el efecto sobre una espira con un lado móvil de los cambios de campo magnético o más bien de su flujo.

En la siguiente animación te mostramos una espira rectangular con un lado móvil. La región está dividida en dos zonas con campos magnéticos diferentes. Los valores numéricos cambian al actualizar la animación. Las longitudes se miden en centímetros. Los campos magnéticos tienen dirección paralela al eje z y se representan por un punto cuando su sentido es positivo y por una cruz cuando es negativo.

Animación de Antonio González en Geogebratube bajo CC BY SA.

Toma nota de los datos de la animación antes de empezar a trabajar.

  1. ¿Cómo se define el flujo del campo magnético? ¿De qué magnitudes depende? ¿Cuáles son sus unidades en el Sistema Internacional? ¿En qué condiciones se anula?
  2. Teniendo en cuenta la posición inicial y la velocidad del lado móvil de la espira, escribe en una tabla los valores de su posición en función del tiempo. ¿Qué expresión matemática dará la posición del lado móvil en función del tiempo?
  3. Determina la expresión matemática de la superficie de la espira en función del tiempo. Expresa el resultado en unidades del Sistema Internacional.
  4. ¿Qué afirma la ley de Faraday-Lenz? ¿Es constante en este caso el flujo que atraviesa la espira? ¿Qué puedes concluir aplicando dicha ley? 
  5. Calcula de forma razonada el flujo magnético que atraviesa la superficie de la espira en función del tiempo y determina el valor de la fuerza electromotriz inducida en la espira. ¿Es constante en el tiempo o varía? Razona tu respuesta.

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