AndalucíaAndalucía
MadridMadrid
CataluñaCataluña
GaliciaGalicia
MurciaMurcia
ValenciaValencia
En construcciónAñadimos comunidades, materias, años y soluciones de forma progresiva y constante.
2022 · Extraordinaria · Reserva
B1-a
Examen
a) Una partícula cargada se lanza con cierta velocidad en una región donde hay un campo magnético uniforme. En primer lugar, se lanza paralelamente al campo magnético y en segundo lugar perpendicularmente al mismo. Explique en cada caso si: i) cambia su energía cinética y ii) la partícula está acelerada.
Fuerza de LorentzEnergía cinéticaCampo magnético
a) En una región con campo magnético uniforme B\vec{B}, la fuerza magnética (o fuerza de Lorentz) que actúa sobre una partícula cargada qq con velocidad v\vec{v} viene dada por la expresión:
F=q(v×B)\vec{F} = q (\vec{v} \times \vec{B})

De esta expresión se deduce que la fuerza F\vec{F} es siempre perpendicular tanto a la velocidad v\vec{v} como al campo magnético B\vec{B}. Esta característica es clave para analizar los cambios en la energía cinética y la aceleración.

i) Cambio de energía cinética:

La fuerza magnética siempre es perpendicular a la velocidad de la partícula (Fv\vec{F} \perp \vec{v}). El trabajo realizado por una fuerza se define como W=FdrW = \int \vec{F} \cdot d\vec{r}. Dado que drd\vec{r} tiene la misma dirección que v\vec{v} (es decir, dr=vdtd\vec{r} = \vec{v} dt), se tiene que Fdr=0\vec{F} \cdot d\vec{r} = 0. Por lo tanto, el trabajo realizado por la fuerza magnética es nulo (W=0W=0). Según el teorema de las fuerzas vivas o teorema de trabajo-energía cinética, el cambio en la energía cinética de la partícula es igual al trabajo total realizado sobre ella (ΔEc=W\Delta E_c = W). Como W=0W=0, la energía cinética de la partícula no cambia en ningún caso. Esto implica que la magnitud de la velocidad (la rapidez) de la partícula permanece constante.

ii) La partícula está acelerada:

Según la segunda ley de Newton, F=ma\vec{F} = m\vec{a}. Una partícula está acelerada si sobre ella actúa una fuerza neta diferente de cero, lo que implica que su vector velocidad cambia (ya sea en magnitud o en dirección).

Análisis por casos:
1. Partícula lanzada paralelamente al campo magnético (vB\vec{v} \parallel \vec{B}):

Si la velocidad de la partícula es paralela (o antiparalela) al campo magnético, el ángulo entre v\vec{v} y B\vec{B} es 00^\circ o 180180^\circ. En ambos casos, el producto vectorial v×B\vec{v} \times \vec{B} es cero, ya que sin(0)=0\sin(0^\circ) = 0 y sin(180)=0\sin(180^\circ) = 0. Por lo tanto, la fuerza magnética sobre la partícula es nula (F=0\vec{F} = 0). i) Energía cinética: Como la fuerza magnética es cero, no se realiza trabajo y la energía cinética Ec=12mv2E_c = \frac{1}{2}mv^2 no cambia. La rapidez de la partícula permanece constante.ii) Aceleración: Puesto que la fuerza neta sobre la partícula es cero, su aceleración es cero (a=0\vec{a} = 0). La partícula se mueve con velocidad constante (magnitud y dirección), es decir, no está acelerada.

2. Partícula lanzada perpendicularmente al campo magnético (vB\vec{v} \perp \vec{B}):

Si la velocidad de la partícula es perpendicular al campo magnético, el ángulo entre v\vec{v} y B\vec{B} es 9090^\circ. En este caso, el producto vectorial v×B\vec{v} \times \vec{B} tiene una magnitud máxima, y por tanto, la fuerza magnética sobre la partícula es no nula y su magnitud es F=qvBF = |q|vB. Esta fuerza es siempre perpendicular a la velocidad y actúa como una fuerza centrípeta, lo que provoca que la partícula describa una trayectoria circular (o una hélice si hubiera una componente de velocidad paralela, pero en este caso es puramente perpendicular).

F=qvBF = |q|vB

i) Energía cinética: Aunque existe una fuerza neta, esta fuerza es siempre perpendicular a la velocidad. Como se explicó anteriormente, la fuerza magnética no realiza trabajo sobre la partícula (W=0W=0), por lo que su energía cinética Ec=12mv2E_c = \frac{1}{2}mv^2 no cambia. La rapidez de la partícula permanece constante.ii) Aceleración: Aunque la rapidez de la partícula permanece constante, la dirección de su velocidad cambia continuamente debido a la fuerza magnética que actúa perpendicularmente a ella. Un cambio en la dirección de la velocidad implica que hay una aceleración (aceleración centrípeta). Por lo tanto, la partícula está acelerada, incluso si su rapidez no cambia.