EM2011 Serie de Problemas 02 -Aplicaciones- G 09NL25Edna Molina Universidad Nacional de Colombia Depto de Física Mayo 2011

Aplicaciones 1. Dibuje un esquema que ilustre el principio de funcionamiento de un espectrómetro de masas y explicite dónde están las leyes de Maxwell

Espectrómetro de Masas Fuente : http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/magnet/espectrometro.html

Funcionamiento Un espectrómetro de masas es un dispositivo que se emplea para separar iones dentro de una muestra que poseen distinta relación carga/masa. La mezcla puede estar constituida por distintos isótopos de una misma sustancia o bien por distintos elementos químicos. Existen distintos modelos de espectrómetros. En la figura anterior se ha representado un esquema de su principio de funcionamiento. Todos los elementos del espectrómetro deben estar en el interior de una cámara de vacío. La muestra gaseosa (situada a la izquierda de la figura) se ioniza mediante un haz de electrones. Los iones positivos son acelerados por un campo eléctrico. Entre las placas aceleradoras existe un campo eléctrico, por lo que los iones experimentarán una fuerza dada por:

A continuación el haz de iones pasa por una zona del espacio donde existe un campo magnético B. La fuerza que el campo magnético hace sobre una carga es: que es perpendicular al campo magnético y al vector velocidad de la carga (en este caso, de los iones positivos). Como la fuerza (representada en verde en la figura) es perpendicular a la trayectoria de los iones, éstos tendrán aceleración normal, y se desviarán describiendo una trayectoria curva. Utilizando la segunda ley de Newton,

Para un valor fijo de la velocidad y del módulo del campo magnético, cuanto menor sea el cociente m/q menor será el radio de curvatura ρ de la trayectoria descrita por los iones, y por tanto su trayectoria se deflactará más. Si la muestra está constituida por isótopos del mismo elemento, todos tendrán la misma carga, pero los que sean más pesados se deflactarán menos. Por tanto, haces de iones de distinta relación carga/masa llegarán a puntos diferentes de un detector, y, en función de la intensidad de las señales que dejan, se determina la abundancia relativa de cada tipo. El primer espectrómetro de masas fue desarrollado en la década de 1920 por el físico inglés Francis William Aston, y recibió en 1922 el Premio Nobel de Química por su desarrollo. Tomado de : http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/magne t/espectrometro.html

Aplicaciones 2. Dibuje un esquema que ilustre el principio de funcionamiento de un magnetrón (el corazón de un horno de microondas) de masas y explicite dónde están las leyes de Maxwell

Magnetrón

Funcionamiento Un cátodo cilíndrico ubicado en el centro emite electrones. A este se suministra una potencia pulsante o continua de muchos miles de voltios (negativo con respecto al ánodo). Rodeado por un ánodo en bloque cilíndrico, separado y aislado del cátodo. El bloque cilíndrico del ánodo tiene múltiples cavidades en forma de canal alrededor del cátodo. En el centro de las cavidades encuentra el cátodo. La longitud de onda de la energía de microondas es de aproximadamente 7,94 veces el diámetro de las cavidades. (Para la frecuencia de 2.45 GHz (12,4 cm) empleadas en un horno de microondas, que esto se traduciría en una cavidades de 15,7 mm de diámetro aproximadamente. eficiencia y éstos son a menudo, tubos de alta potencia (muchos de kilovatios).

Una antena conectada a una de las cavidades del cilindro recoge la energía y la envía a la guía de ondas. Todo el montaje se coloca dentro de un potente campo magnético (varios miles de Gauss en comparación con el campo magnético de la Tierra de alrededor de .5 Gauss). Este suele ser suministrado por imanes permanentes, aunque también se han utilizado electroimanes. La refrigeración del bloque ánodo debe realizarse por aire forzado, el agua o aceite ya que el proceso de generación de microondas tiene sólo alrededor de 60 a 75% de eficiencia y éstos son a menudo, tubos de alta potencia (muchos de kilovatios). Tomado de: http://www.comunidadelectronicos.com/articulos/microondas- 1.htm#micmagcono

PISTA: dele rienda suelta a su imaginación sin MAP. Diseño Basado en la Leyes del electromagnetismo y resto de información que Usted ha aprendido en este curso de física diseñe un dispositivo, aparato, sistema, etc. PISTA: dele rienda suelta a su imaginación sin MAP.

Sistema de control de entrada de agua a una hidroeléctrica Este semestre he tenido contacto con la generación de energía eléctrica en una hidroeléctrica. Este proceso es relativamente sencillo; a grandes rasgos y de manera muy general consiste, en un embalse en el que se retiene agua que se obtiene a partir de las lluvias, cuando se permite el flujo de agua esta es direccionada por un sistema de túneles y tuberías hasta el distribuidor de la turbina hidráulica que, como su nombre lo dice, distribuye el agua de manera que se genera energía mecánica al producirse la rotación del

Rotor que a su vez mueve un generador que consiste en : Una espira que gira impulsada por algún medio externo. Un campo magnético uniforme, creado por un imán, en el seno del cual gira la espira anterior A medida que la espira gira, el flujo magnético a través de ella cambia con el tiempo, induciéndose una fuerza electromotriz, y si existe un circuito externo, circulará una corriente eléctrica. De esta manera se convierten la energía cinética y potencial en energía eléctrica, posteriormente el agua sale de la central siguiendo su cause entre otros. Aunque es un método bastante “verde” para generación de energía he identificado un problema.

El complejo turbina-generador siempre está en funcionamiento, la energía que se genera es distribuida instantáneamente , es decir, no se almacena. El problema consiste en que a altas horas de la noche la demanda de energía es mucho menor, por lo que la energía generada se termina disipando en calor. En un mundo como el nuestro, en el cual es inevitable una crisis energética no nos podemos dar el lujo de degradar energía a su estado más “burdo” como lo es el calor. Es por esto que he ideado una forma de evitar este tipo de pérdidas. Todo consiste en un circuito, que consista principalmente en una resistencia sensible a la intensidad de rayos UV (entre los 400 nm y los 15 nm ). De esta manera, a la hora en la que más se mueven las ciudades y donde el consumo energético es mayor, que son las horas de la tarde, nuestra resistencia tendría un valor.

Dicho valor determinaría el tamaño de la abertura para el paso de agua del embalse a las tuberías y posteriormente a la turbina, por tanto a las horas de la noche donde la intensidad de radiación ultravioleta es menor que en el día, el paso de agua se restringiría con una rejilla. De esta manera se podría controlar el paso de agua y por tanto la producción de energía hidráulica.