Dispositivos de Análisis de Partículas Cargadas: Selector de Velocidades, Espectrógrafo y Ciclotrón

Selector de Velocidades

El selector de velocidades es un tubo que contiene un campo eléctrico y un campo magnético, ambos uniformes. Estos dos campos son perpendiculares entre sí y también al eje longitudinal del tubo. Por un extremo del tubo, se inyectan partículas cargadas que han sido aceleradas por una diferencia de potencial. La fuerza eléctrica y la fuerza magnética se cancelan mutuamente en aquellas partículas cuya velocidad se desea seleccionar. De todas las partículas que entran en el tubo, las que se desplacen a la velocidad seleccionada continuarán en línea recta y saldrán por el extremo final del tubo. El resto de las partículas se desviarán.

Las partículas que consiguen llegar al final del tubo son aquellas en las que se anulan las fuerzas eléctrica y magnética. El campo eléctrico es perpendicular a la velocidad y al campo magnético, siendo su módulo E = v x B. Dado un valor para el campo magnético, el campo eléctrico que deberemos ajustar depende de la velocidad de las cargas que queramos seleccionar.

Espectrógrafo de Masa

El espectrógrafo de masa, también conocido como espectrómetro de masa, determina la masa de partículas con carga eléctrica conocida, haciéndolas curvar en un campo magnético perpendicular. Este dispositivo se ha utilizado para encontrar los distintos isótopos de los elementos. Cada elemento se ioniza de manera estable con la misma carga, independientemente del tipo de isótopo. Por ejemplo, en una cámara de ionización producimos iones y los aceleramos mediante un campo eléctrico para ser introducidos en el selector de velocidades. Con esa velocidad común, como los diferentes isótopos poseen distinta masa, al entrar en la zona donde existe un campo magnético uniforme perpendicular, serán desviados con distinto radio de curvatura según la ecuación:

r = (m x v) / (q x B)

Tras recorrer media circunferencia, al ser las trayectorias de distinto radio, incidirán separadamente, permitiendo determinar la masa a partir de los radios obtenidos.

Ciclotrón

El ciclotrón es un dispositivo que permite acelerar partículas cargadas mediante sucesivos giros bajo la acción de un campo magnético. Se compone de dos recipientes con forma de "D" situados de forma opuesta en los que se ha practicado el vacío y que están separados por una pequeña distancia entre sí. Se aplica un campo magnético uniforme perpendicular a la superficie de las "D", pero que no actúa en la región de separación entre ambas.

En la zona superior de la figura, se observa que en la región entre las "D" se aplica una diferencia de potencial, de modo que una partícula cargada liberada en el centro del ciclotrón es acelerada de un electrodo a otro. Las partículas cargadas, una vez aceleradas, penetran en la región donde existe el campo magnético uniforme perpendicular. La fuerza de Lorentz las desvía, describiendo una trayectoria semicircular.

Estas partículas vuelven de nuevo a la zona de separación, donde se cambia el signo del potencial aplicado para que la carga que sale de una "D" sea acelerada hacia la otra "D". Al entrar la partícula en el otro hemisferio con forma de "D", la fuerza de Lorentz desvía nuevamente la trayectoria rectilínea de la carga. Esta vez, al tener más velocidad, el radio de giro es mayor.

De manera sucesiva, la partícula es acelerada en la región entre electrodos y aumenta el radio de giro. Tras diversos ciclos dentro de las regiones con forma de "D", la velocidad final de la partícula con la que se lanza al exterior es directamente proporcional al radio del ciclotrón.

r = (m x v) / (q x B)

r = (m x 2π) / (T x q x B)

T = (m x 2π) / (q x B)

Analogías entre Campo Eléctrico y Campo Magnético

• Son campos de fuerza, por lo tanto, campos vectoriales.
• Dependen del medio en el que se encuentran, a través de la permitividad eléctrica (ε) y de la permeabilidad magnética (μ).
• Dependiendo del caso, los dos campos proporcionan fuerzas de atracción y de repulsión.

Diferencias entre Campo Eléctrico y Campo Magnético

Campo Eléctrico

• Es creado por una carga eléctrica.
• Interactúa con otra carga eléctrica.
• Sus líneas de campo son abiertas.
• Pueden existir cargas eléctricas separadas.
• Es conservativo, podemos definir la función potencial.
• La interacción es más fuerte en el vacío que en cualquier otro medio.

Campo Magnético

• Es creado por una carga eléctrica en movimiento.
• Interactúa solamente con cargas en movimiento.
• Sus líneas de campo son cerradas.
• No existen los monopolos magnéticos.
• No es conservativo, no podemos definir la función potencial.
• La interacción depende del medio, pero puede ser mayor que en el vacío.