Fundamentos de Electromagnetismo: Jaula de Faraday, Espectrómetro y Propiedades Magnéticas

Jaula de Faraday

Una consecuencia de la ley de Gauss es que, en el interior de un conductor hueco, el campo eléctrico es nulo, incluso ante la presencia de campos externos intensos. Esta propiedad se utiliza para proteger y blindar aparatos delicados y dispositivos de medida sensibles frente a posibles efectos electrostáticos y electromagnéticos indeseados.

Al recubrir el dispositivo con una caja conductora, el campo eléctrico externo redistribuye los electrones libres del conductor, lo que produce una separación de cargas en la superficie. Esta distribución de carga altera las líneas de campo en la proximidad de la caja.

Espectrómetro de masas

Es un instrumento de laboratorio utilizado para determinar la proporción de los distintos isótopos de cada elemento, separando los átomos ionizados en función de su relación masa-carga. Consta de los siguientes elementos:

• Cámara de ionización: donde se producen los iones de una sustancia.
• Región de aceleración: donde se aceleran los iones mediante un campo eléctrico.
• Región de desviación: espacio donde se desvían los iones mediante un campo magnético perpendicular a su velocidad.
• Detector: pantalla o placa donde inciden los iones tras describir una semicircunferencia para contar los iones de cada tipo.

Funcionamiento

En primer lugar, los diferentes isótopos de un mismo elemento químico se ionizan positivamente tras perder un electrón; por tanto, estos iones tienen distinta masa pero igual carga eléctrica. Los iones salen de la cámara de ionización con velocidad prácticamente nula y penetran en la región donde existe un campo eléctrico obtenido a partir de una diferencia de potencial.

Tras recorrer esta región, los iones han adquirido una velocidad que, aplicando la conservación de la energía, se define como: v = √ (2q · ΔV / m).

Los iones penetran con esta velocidad en la región del campo magnético. Dado que este campo es uniforme y perpendicular a la velocidad, el movimiento que describe la carga es circular con un radio: R = (m · v) / (q · B).

Elevando al cuadrado y operando, obtenemos: R² = (m² · 2q · ΔV) / (q² · B² · m). Dado que B y la diferencia de potencial son parámetros conocidos del espectrómetro, podemos obtener para cada ion su relación masa-carga. Las proporciones relativas entre iones se consiguen a partir de las lecturas del detector.

Ciclotrón

Es un acelerador de partículas de tipo circular que se utiliza para acelerar protones y deuterones con el fin de obtener materiales radiactivos con aplicaciones médicas. Su radio de giro sigue la expresión: R = (m · v) / (q · B).

Clasificación de los medios magnéticos

Los medios se clasifican en función del valor de su permeabilidad relativa (μ_rel = μ / μ_o):

• Sustancias diamagnéticas: μ_rel < 1 (Ej.: Au, Ag, Cu, H₂O, etc.). Poseen una permeabilidad inferior a la del vacío.
• Sustancias paramagnéticas: μ_rel > 1 (Ej.: O_2(líq), Al, Pt, Pd, etc.). Poseen una permeabilidad ligeramente superior a la del vacío.
• Sustancias ferromagnéticas: μ_rel >> 1. Poseen una permeabilidad miles de veces superior a la del vacío (hierro, magnetita (Fe₃O₄), acero, aleaciones especiales, etc.). Estas sustancias exaltan de manera extraordinaria los fenómenos magnéticos y el valor del campo de inducción.