Movimiento de carga en el campo magnético

cigemexico
14 Dec 201109:23

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Keywords

💡Magnetic Field

A magnetic field is a vector field that exerts a force on moving electric charges, electric currents, and magnetic materials. In the video, the magnetic field plays a crucial role in trapping charged particles in the Earth's atmosphere, preventing them from escaping into space, and is essential for the formation of the ionosphere. The script explains how charged particles interact with the magnetic field, resulting in circular or helical motion.

💡Ionosphere

The ionosphere is a region of the Earth's upper atmosphere, extending from about 60 to 1000 kilometers above the Earth's surface, where the air is ionized by solar and cosmic radiation. It is composed of charged particles and is vital for long-distance radio communication. The video discusses how the ionosphere is formed and its importance in trapping charged particles due to the Earth's magnetic field.

💡Charged Particles

Charged particles are particles that have an electric charge, either positive or negative. In the context of the video, these particles are created by the ionization of air molecules in the ionosphere and are influenced by the Earth's magnetic field. The script explains how these particles are trapped and move within the magnetic field, contributing to the ionosphere's formation.

💡Lorentz Force

The Lorentz force is the force experienced by a moving electric charge in a magnetic field. It is given by the equation \( \vec{F} = q(\vec{v} \times \vec{B}) \), where \( q \) is the charge, \( \vec{v} \) is the velocity of the charge, and \( \vec{B} \) is the magnetic field. The video uses this concept to explain how charged particles are influenced by the magnetic field, leading to their circular or helical motion.

💡Right-Hand Rule

The right-hand rule is a common mnemonic for understanding the direction of the Lorentz force and other vector cross products in physics. The video script describes using the right-hand rule to determine the direction of the magnetic force acting on a positively charged particle moving in a magnetic field, which is crucial for visualizing the particle's trajectory.

💡Centripetal Force

Centripetal force is the force that keeps an object moving in a circular path. In the video, it is mentioned that the magnetic force acting on a charged particle is a centripetal force that keeps the particle in a circular orbit within the magnetic field. The script provides the formula \( F = \frac{mv^2}{r} \), where \( F \) is the centripetal force, \( m \) is the mass of the particle, \( v \) is its velocity, and \( r \) is the radius of the orbit.

💡Cathode Ray Tube (CRT)

A cathode ray tube is a type of display technology that uses an electron beam to excite phosphors and produce images on a fluorescent screen. The video script mentions CRTs in the context of demonstrating the effect of a magnetic field on the trajectory of electrons, which is analogous to the behavior of charged particles in the ionosphere.

💡Helical Motion

Helical motion is a type of motion where an object moves in a three-dimensional spiral path. The video explains that when the velocity of a charged particle is not perpendicular to the magnetic field, the particle's motion becomes helical, combining linear and circular components. This concept is illustrated by the script when discussing the behavior of electrons in a CRT.

💡Electron

An electron is a subatomic particle with a negative electric charge. In the video, electrons are discussed as one of the charged particles that are ionized from air molecules in the ionosphere and are affected by the Earth's magnetic field. The script describes how electrons move in a circular path within a magnetic field, contributing to the light emitted in a cathode ray tube.

💡Magnetic Deviation

Magnetic deviation refers to the change in the path of a moving charged particle due to the influence of a magnetic field. The video script describes how placing magnetic bars near a CRT can cause the electron beam to deviate from its straight path, demonstrating the effect of the magnetic field on charged particles.

Highlights

The ionosphere, located above 80 kilometers from the Earth's surface, consists of charged particles and plays a crucial role in long-range radio communication.

Sun's ultraviolet rays ionize air molecules in the ionosphere, creating ions and electrons.

The magnetic force equation is given by the vector \( \vec{F} = q(\vec{v} \times \vec{B}) \), where \( q \) is the charge, \( \vec{v} \) is the velocity vector, and \( \vec{B} \) is the magnetic field vector.

If a charge moves with its velocity vector parallel or antiparallel to the magnetic field, the magnetic force acting on the charge is zero.

For a positively charged particle moving perpendicular to the magnetic field, the magnetic force is maximum, causing the particle to follow a circular path.

The right-hand rule can be used to determine the direction of the magnetic force acting on a positively charged particle.

Magnetic force does not do work on a charge moving in a magnetic field, thus the charge's energy and velocity remain constant.

The magnetic field can trap charged particles, as demonstrated by the circular motion of electrons in a magnetic field.

The centripetal force for circular motion is given by \( F_{\text{centripetal}} = \frac{m v^2}{r} \), where \( m \) is the mass, \( v \) is the velocity, and \( r \) is the radius of the orbit.

The radius of the circular orbit can be calculated using \( r = \frac{m v}{q B} \), where \( q \) is the charge and \( B \) is the magnetic field strength.

The Crookes tube, an experimental device, demonstrates the circular motion of electrons under the influence of a magnetic field.

Increasing the acceleration potential increases the velocity of electrons, resulting in a larger radius of the circular path.

Increasing the current in the Helmholtz coils increases the magnetic field, which in turn decreases the radius of the electron's circular path.

In a cathode-ray tube (CRT), without deflection systems, a point is seen at the center of the screen, but placing magnetic bars with opposite poles facing each other can deflect the electron beam.

The trajectory of electrons in a CRT can be a circular arc or a helix, depending on the angle between the velocity vector and the magnetic field.

The Earth's magnetic field prevents ionized particles from escaping the atmosphere, trapping them and forming the ionosphere.

The distortion of a conventional television image when a magnet is placed nearby can be explained by the influence of the magnetic field on the electron beam.

Transcripts

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movimiento de carga en el campo

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magnético

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objetivo entender el movimiento de una

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partícula cargada en un campo magnético

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la región de la atmósfera que existe por

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encima de 80 kilómetros de la superficie

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de la tierra se llama ionosfera

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ella consiste en partículas cargadas y

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juega un papel crucial en la

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comunicación de radio a largo alcance

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los rayos ultravioletas del sol ionizan

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las moléculas de aire en esta región y

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producen iones y electrones ahora

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estudiemos por qué estos iones no

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escapan al espacio exterior y como ellos

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forman la ionosfera sabemos que la

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ecuación de la fuerza magnética es el

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vector

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efe es igual a q por el vector v x el

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vector b que actúa sobre la carga q

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moviéndose con una velocidad vector v en

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un campo magnético vector ve su magnitud

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puede escribirse como fb igual a cu v b

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cindy está utilizando el producto

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vectorial aquí

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tita es el ángulo entre la velocidad

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vector v y el campo magnético vector de

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esta ecuación nos dice que si una carga

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se mueve en un campo magnético con su

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velocidad vector v paralela a vector b

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vale decir tita es igual a cero grados

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la fuerza magnética actuando sobre la

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carga es cero lo mismo es cierto si

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vector

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y vector b son anti paralelos osea dita

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es igual a 180 grados en ambos casos el

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movimiento de carga no es influenciado

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por el campo magnético considera una

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carga positiva q moviéndose libremente

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que entra en el campo magnético de

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manera que vector v es perpendicular a

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vector b para este caso

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tita es igual a 90 grados por lo tanto

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la magnitud de la fuerza magnética es

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máxima y es el vector fbi es igual a q

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por el vector v x el vector b para

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encontrar la dirección de efe sobre la

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carga positiva usamos la regla de la

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mano derecha orienta tu primer dedo a lo

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largo de la velocidad vector v y el

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segundo dedo a lo largo del campo

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magnético vector ve la dirección del

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pulgar da la dirección de la fuerza

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magnética fbi esta fuerza cambia la

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trayectoria de la carga en el campo

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magnético en el punto l la fuerza f v es

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perpendicular a v esta fuerza dobla la

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trayectoria

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carga y ella alcanza a m en este punto

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la fuerza atrae la carga hacia adentro

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doblando su trayectoria aún más y la

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carga alcanza el punto n sobre la carga

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actúa una fuerza magnética centrípeta

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constante en cada punto de su

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trayectoria como esta fuerza es siempre

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perpendicular a su velocidad y por ende

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el desplazamiento el trabajo realizado

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por la fuerza magnética sobre la carga

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es cero la energía de la carga permanece

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constante y por consiguiente su

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velocidad es también constante por eso

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la fuerza magnética apenas cambia la

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dirección de la velocidad de la carga y

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no su magnitud como resultado la carga

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realiza un movimiento circular dentro

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del campo dado que la carga está ahora

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retenida decimos que el campo magnético

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puede atrapar las partículas cargadas

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el hecho de arriba también es cierto

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para la carga negativa pero la dirección

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de la fuerza magnética actuando sobre

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ella es opuesta a la dada por el pulgar

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en la regla de la mano derecha para un

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movimiento circular la fuerza centrípeta

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es efe es igual a emv al cuadrado sobre

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r aquí la fuerza centrípeta es dada por

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la fuerza magnética

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efe por lo tanto q v b es igual a m v al

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cuadrado sobre r por consiguiente el

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radio r de su órbita circular es r es

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igual a m v sobre q b la demostración

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experimental puede verse utilizando un

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dispositivo llamado tubo de as vino de

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radiación este es una cámara esférica

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verticalmente orientada que contiene gas

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inerte a baja presión allí dentro está

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montado horizontalmente un cañón de

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electrones dos bobinas llamadas bobinas

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helmholtz acumuladas como se muestra

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producen un campo magnético uniforme

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perpendicular al cañón de electrones

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cuando una corriente pasa

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desde ellas cuando el cañón de

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electrones se enciende uno puede ver un

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anillo brillante dentro de la bombilla a

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nivel microscópico uno puede ver que

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esto se debe a la presencia del campo

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magnético ve la fuerza magnética fbi

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fuerza a los electrones a un movimiento

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circular como explicado anteriormente

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durante este pasaje los electrones

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interactúan con electrones atómicos de

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gas y los estimulan luego se

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desestimulan y emiten radiación un gran

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número de tales interacciones a lo largo

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de la trayectoria circular emiten

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radiación individual que puede ser vista

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colectivamente como luz en forma de

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anillo a nivel microscópico

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[Música]

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aumentando el potencial de aceleración

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aumenta la velocidad de los electrones

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como resultado el radio del anillo

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aumenta aumentando la corriente en las

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bobinas resulta en un aumento en el

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campo magnético consecuentemente el

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radio de la trayectoria circular decrece

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estas observaciones van en concordancia

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con la fórmula derivada consideremos el

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caso de un tubo de asesinos de radiación

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cátodo ce

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rt cuando no se aplica ningún potencial

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a sus sistemas desviadores puedes ver un

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punto en el centro de su pantalla

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a medida que el rayo de electrones

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golpea a la pantalla fluorescente

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si colocas dos barras magnéticas

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enfrentando polos opuestos como se

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muestra el punto es desviado esto es

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porque cada electrón es influenciado por

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la fuerza magnética debido al campo

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magnético y es desviado de su

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trayectoria recta en un crt las barras

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magnéticas producen un campo magnético

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débil y los electrones tienen una

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velocidad muy alta por lo tanto el radio

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de curvatura de los electrones es muy

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grande comparado con la sección

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transversal de los imanes

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consecuentemente la trayectoria

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recorrida por los electrones en el campo

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es un arco circular de radio r los

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electrones no quedan atrapados y pueden

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escapar del campo ellos se mueven a lo

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largo de una línea recta para golpear la

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pantalla y formar un punto ahora dispara

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una carga con su vector de velocidad

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produciendo un ángulo tita con el campo

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magnético el vector v puede

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descomponerse en dos componentes del

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vector perpendicular uno es paralelo al

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vector b el vector v es igual a v coseno

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tita

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el otro es perpendicular a vector b v

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perpendicular igual a v cintita j cab ya

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que el ángulo entre vector v y b es cero

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el componente de la velocidad paralela

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no es influenciado por la fuerza

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magnética y contribuye a su movimiento

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lineal a lo largo de vector b sin

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embargo siendo perpendicular al campo

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magnético

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el componente perpendicular v es sujeto

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a la fuerza magnética provocando un

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movimiento circular de la carga en el

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plano perpendicular a vector b por

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consecuencia el movimiento de la carga

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es el resultado del movimiento lineal y

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circular el cual es un movimiento

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helicoidal con una inclinación

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determinada a medida que el ángulo dita

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entre la velocidad y el campo magnético

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aumenta la inclinación de su trayectoria

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helicoidal se reduce la inclinación es

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dada por la fórmula 2 piporé r por v

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paralela sobre v perpendicular para su

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prueba experimental gira el cañón

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electrónico del tubo de radiación de as

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puedes ver que el anillo toma la forma

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de una hélice esto implica que la

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trayectoria de los electrones es

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helicoidal dentro de la bombilla ahora

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consideremos la primera pregunta que

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teníamos sobre la ionosfera sabemos que

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la tierra tiene su propio campo

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magnético

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cuando partículas de aire son ionizadas

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se producen iones y electrones y el

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campo magnético de la tierra no les

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permite escapar de la atmósfera y los

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atrapa como explicamos anteriormente

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el movimiento de cargas positivas y

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negativas es en dirección opuesta y las

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cargas siguen una trayectoria helicoidal

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alrededor de las líneas del campo

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magnético de esta manera es como se

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forma la ionosfera ahora puedes adivinar

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por qué la imagen de un televisor

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convencional se distorsiona cuando se

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mantiene un imán cerca de éste