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Movimiento de cargas en campos magnéticos
Problema
2019 · Ordinaria · Suplente
2B-b
Examen
b) Un protón penetra en el seno de un campo magnético uniforme con una velocidad perpendicular al campo. El protón describe una trayectoria circular con un periodo de 2108 s2 \cdot 10^{-8} \text{ s} y 0,03 m0,03 \text{ m} de radio. i) Dibuje el esquema correspondiente y calcule el valor de su velocidad y del campo magnético. ii) Si introdujéramos en el campo un electrón con la misma velocidad, dibuje su trayectoria y determine el valor de su radio.

Datos: e=1,61019 Ce = 1,6 \cdot 10^{-19} \text{ C}; me=9,11031 kgm_e = 9,1 \cdot 10^{-31} \text{ kg}; mp=1,71027 kgm_p = 1,7 \cdot 10^{-27} \text{ kg}

CiclotrónRadio de curvatura
b) i) Para el protón:

Dibujamos el esquema de fuerzas para el protón. Si la velocidad es hacia la derecha y el campo magnético es entrante, la fuerza de Lorentz sobre el protón (carga positiva) será hacia arriba, resultando en una trayectoria circular en sentido antihorario.

B (entrante)+vF

El protón describe una trayectoria circular. Podemos calcular su velocidad a partir del radio y el periodo de la órbita.

v=2πRTv = \frac{2\pi R}{T}
v=2π(0,03 m)2108 sv = \frac{2\pi (0,03 \text{ m})}{2 \cdot 10^{-8} \text{ s}}
v9,42106 m/sv \approx 9,42 \cdot 10^6 \text{ m/s}

Para calcular el valor del campo magnético, igualamos la fuerza magnética (Lorentz) a la fuerza centrípeta, ya que la fuerza de Lorentz es la que mantiene al protón en su trayectoria circular.

FL=FcF_L = F_c
qvB=mpv2Rq v B = \frac{m_p v^2}{R}
B=mpvqRB = \frac{m_p v}{q R}
B=(1,71027 kg)(9,42106 m/s)(1,61019 C)(0,03 m)B = \frac{(1,7 \cdot 10^{-27} \text{ kg}) (9,42 \cdot 10^6 \text{ m/s})}{(1,6 \cdot 10^{-19} \text{ C}) (0,03 \text{ m})}
B3,34 TB \approx 3,34 \text{ T}
ii) Para el electrón:

Si introdujéramos un electrón con la misma velocidad y en el mismo campo magnético, la dirección de la fuerza de Lorentz sería opuesta debido a la carga negativa del electrón. Esto significa que la trayectoria será circular en sentido horario.

B (entrante)-vF

Para determinar el valor del radio de la trayectoria del electrón, usamos la misma relación entre la fuerza de Lorentz y la fuerza centrípeta.

FL=FcF_L = F_c
qvB=mev2Re|q| v B = \frac{m_e v^2}{R_e}
Re=mevqBR_e = \frac{m_e v}{|q| B}
Re=(9,11031 kg)(9,42106 m/s)(1,61019 C)(3,34 T)R_e = \frac{(9,1 \cdot 10^{-31} \text{ kg}) (9,42 \cdot 10^6 \text{ m/s})}{(1,6 \cdot 10^{-19} \text{ C}) (3,34 \text{ T})}
Re1,60104 mR_e \approx 1,60 \cdot 10^{-4} \text{ m}