Partículas en campos magnéticos

Definiciones de fuerza magnética y campo magnético

Experimentalmente, se descubrió que cuando las cargas eléctricas se mueven (es decir, tienen una velocidad distinta de cero), se medía otra contribución a la fuerza que experimentaban las partículas cargadas, además de la fuerza eléctrica, que ya se conocía. Esta fuerza misteriosa era la fuerza electromagnética (también llamada fuerza magnética), causada por el movimiento de los portadores de carga a través de algún campo magnético aplicado externamente.

Un sencillo experimento que puedes hacer en casa para observar el efecto de la fuerza magnética utiliza una tira de papel de aluminio, una pila y un imán de herradura. Inicialmente, el imán no debería producir ninguna fuerza sobre la tira de papel de aluminio, ya que está hecha de aluminio. Sin embargo, si creamos un circuito uniendo cada extremo de la tira de papel de aluminio a los bornes de la pila, ahora hay electrones (partículas cargadas) fluyendo a través del papel de aluminio. Si ahora acercamos la tira al campo magnético, ¡se desviará! Esto demuestra que se genera una fuerza magnética por el movimiento de las partículas cargadas a través del campo magnético, ya que la fuerza desaparece cuando desconectamos el circuito de láminas y las partículas dejan de moverse.

La fuerza magnética se mide en newtons$\left(\mathrm{N}\right)$como cualquier otra fuerza. También es importante tener en cuenta que la partícula cargada debe estar en movimiento respecto al campo magnético para experimentar una fuerza magnética.

Ahora debemos descubrir cómo crean esta fuerza los imanes, y para ello necesitamos hablar del campo magnético. La definición de campo magnético es la siguiente.

Un campo magnético está presente en cualquier punto del espacio en el que una partícula cargada en movimiento siente una fuerza. La intensidad de un campo magnético suele denominarse densidad de flujo magnético o intensidad de campo magnético y recibe el símbolo$B.$La unidad de medida del campo magnético es el Tesla$\left(\mathrm{T}\right)$, que equivale a newtons-por-amperio-por-metro,${\mathrm{NA}}^{-1}{\mathrm{m}}^{-1}$.

Partículas cargadas en un campo magnético

Como hemos aprendido en el tema de la electricidad, el flujo de cargas eléctricas positivas constituye una corriente eléctrica convencional. Por tanto, las corrientes eléctricas experimentarán una fuerza cuando se encuentren en un campo magnético. Si pensamos en los electrones que se mueven en círculos en un magnetrón, como hemos mencionado al principio del artículo, ¿cómo podemos estar seguros de que los electrones se moverán de esa manera, ya que no están contenidos dentro de un alambre? Resulta que existe una relación entre las direcciones del campo magnético, la fuerza magnética y la corriente. Si conocemos la dirección de dos cualquiera de estas magnitudes, podemos hallar la dirección de la tercera.

La regla de la mano izquierda

La forma de determinar la dirección de la fuerza que sentirá una carga en movimiento cuando entre en un campo magnético es utilizando la regla de la mano izquierda de Fleming. La regla de la mano izquierda establece que debes extender los dedos pulgar, índice y corazón de modo que formen un ángulo recto entre sí (como se muestra en el diagrama siguiente).

1. Apunta con el dedo índice en la dirección del campo magnético$B$es decir, del polo norte al polo sur.
2. Tu dedo corazón indica la dirección de la corriente convencional$I$(el movimiento de la carga positiva).
3. Tu pulgar señalará la dirección de la fuerza$F$sobre la partícula.

La regla de la mano izquierda se utiliza para determinar la dirección de la fuerza que siente una partícula cargada cuando se mueve a través de un campo magnético perpendicular a él. Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0

La fuerza sobre las partículas cargadas en un campo magnético

La ley general que rige el comportamiento de una carga eléctrica en presencia de un campo electromagnético se conoce como fuerza de Lorentz. La expresión general también incluye el efecto de un campo eléctrico externo, pero aquí la restringiremos a situaciones en las que sólo hay presente un campo magnético.

La expresión de la fuerza ejercida sobre una partícula cargada que se mueve perpendicularmente a través de un campo magnético viene dada por:

$\begin{array}{rcl}\mathrm{Magentic}\mathrm{force}& =& \mathrm{charge}\times \mathrm{speed}\times \mathrm{magnetic}\mathrm{field}\mathrm{strength}\\ F& =& qvB\end{array}$

donde$q$es la carga de la partícula$v$es la magnitud de su velocidad (su rapidez), y$B$es la intensidad del campo magnético.

Esta ecuación indica claramente que la partícula debe estar en movimiento$(v\ne 0)$para que se perciba la fuerza magnética. Tenemos una relación en la que la dirección del movimiento, la fuerza y el campo son perpendiculares entre sí y pueden determinarse utilizando la regla de la mano izquierda.

El movimiento circular de las partículas cargadas en un campo magnético

Hemos visto que una partícula cargada experimentará una fuerza perpendicular a su dirección de movimiento cuando entre en un campo magnético en ángulo recto con el campo. Esto significa que la dirección de movimiento de la partícula cambiará a medida que la fuerza magnética la desvíe. Como ahora la partícula cargada ha cambiado de dirección, esto constituye un cambio de dirección de la corriente. Si el campo permanece constante, pero la corriente cambia de dirección, ¡la fuerza magnética generada también debe cambiar constantemente de dirección! Esto crea un escenario confuso, pero explica cómo una partícula cargada en un campo magnético puede moverse a lo largo de una trayectoria circular.

Tipos de partículas en campos magnéticos

Hemos visto cómo los electrones son desviados por los campos magnéticos, pero podemos observar desviaciones similares en otras partículas. Aquí veremos tres de estas partículas: la partícula alfa , la partícula beta y la partícula gamma.

Partículas alfa, beta y gamma en un campo magnético

Sabemos, por los átomos y la radiación, que las partículas alfa son núcleos de helio (contienen dos neutrones y dos protones, por lo que tienen carga positiva). También son bastante pesadas, al menos en comparación con el electrón, lo que significa que se necesita una mayor fuerza magnética para desviarlas en la misma medida.

Las partículas beta son electrones que se mueven rápidamente, por lo que presentan el mismo comportamiento de desviación que hemos visto anteriormente. La figura siguiente muestra la diferencia entre cómo una partícula alfa y una partícula beta son desviadas por el mismo campo magnético uniforme a medida que lo atraviesan.

Las partículas gamma son fotones de alta energía emitidos durante la desintegración radiactiva. A menudo se emiten junto con las partículas alfa y beta. Sin embargo, la gran diferencia es que son fotones y, por tanto, no están cargadas. Un campo magnético no las desvía. El diagrama siguiente muestra las trayectorias de las partículas alfa, beta y gamma cuando se mueven, inicialmente en línea recta, hacia una región que contiene un campo magnético.

Las partículas alfa y beta se desviarán si se mueven hacia una región con un campo magnético. Las partículas se desvían en direcciones opuestas, ya que tienen cargas opuestas. La partícula alfa se desvía menos porque es mucho más pesada que la partícula beta. La partícula gamma no se desvía en el campo magnético porque no tiene carga. Originales de StudySmarter

La partícula alfa se desvía en menor medida aunque tenga mayor carga que la partícula beta. Esto se debe a que es más pesada (tiene mayor masa) y a la fuerza le cuesta más desviarla. Las dos partículas se desvían en direcciones opuestas debido a que sus cargas tienen signos opuestos (las partículas alfa son positivas y las beta negativas), produciendo fuerzas magnéticas en direcciones opuestas. La partícula gamma no interactúa con el campo magnético y atraviesa la región sin desviarse.