Movimiento de carga en el campo magnético
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Keywords
💡Magnetic Field
💡Ionosphere
💡Charged Particles
💡Lorentz Force
💡Right-Hand Rule
💡Centripetal Force
💡Cathode Ray Tube (CRT)
💡Helical Motion
💡Electron
💡Magnetic Deviation
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
movimiento de carga en el campo
magnético
objetivo entender el movimiento de una
partícula cargada en un campo magnético
la región de la atmósfera que existe por
encima de 80 kilómetros de la superficie
de la tierra se llama ionosfera
ella consiste en partículas cargadas y
juega un papel crucial en la
comunicación de radio a largo alcance
los rayos ultravioletas del sol ionizan
las moléculas de aire en esta región y
producen iones y electrones ahora
estudiemos por qué estos iones no
escapan al espacio exterior y como ellos
forman la ionosfera sabemos que la
ecuación de la fuerza magnética es el
vector
efe es igual a q por el vector v x el
vector b que actúa sobre la carga q
moviéndose con una velocidad vector v en
un campo magnético vector ve su magnitud
puede escribirse como fb igual a cu v b
cindy está utilizando el producto
vectorial aquí
tita es el ángulo entre la velocidad
vector v y el campo magnético vector de
esta ecuación nos dice que si una carga
se mueve en un campo magnético con su
velocidad vector v paralela a vector b
vale decir tita es igual a cero grados
la fuerza magnética actuando sobre la
carga es cero lo mismo es cierto si
vector
y vector b son anti paralelos osea dita
es igual a 180 grados en ambos casos el
movimiento de carga no es influenciado
por el campo magnético considera una
carga positiva q moviéndose libremente
que entra en el campo magnético de
manera que vector v es perpendicular a
vector b para este caso
tita es igual a 90 grados por lo tanto
la magnitud de la fuerza magnética es
máxima y es el vector fbi es igual a q
por el vector v x el vector b para
encontrar la dirección de efe sobre la
carga positiva usamos la regla de la
mano derecha orienta tu primer dedo a lo
largo de la velocidad vector v y el
segundo dedo a lo largo del campo
magnético vector ve la dirección del
pulgar da la dirección de la fuerza
magnética fbi esta fuerza cambia la
trayectoria de la carga en el campo
magnético en el punto l la fuerza f v es
perpendicular a v esta fuerza dobla la
trayectoria
carga y ella alcanza a m en este punto
la fuerza atrae la carga hacia adentro
doblando su trayectoria aún más y la
carga alcanza el punto n sobre la carga
actúa una fuerza magnética centrípeta
constante en cada punto de su
trayectoria como esta fuerza es siempre
perpendicular a su velocidad y por ende
el desplazamiento el trabajo realizado
por la fuerza magnética sobre la carga
es cero la energía de la carga permanece
constante y por consiguiente su
velocidad es también constante por eso
la fuerza magnética apenas cambia la
dirección de la velocidad de la carga y
no su magnitud como resultado la carga
realiza un movimiento circular dentro
del campo dado que la carga está ahora
retenida decimos que el campo magnético
puede atrapar las partículas cargadas
el hecho de arriba también es cierto
para la carga negativa pero la dirección
de la fuerza magnética actuando sobre
ella es opuesta a la dada por el pulgar
en la regla de la mano derecha para un
movimiento circular la fuerza centrípeta
es efe es igual a emv al cuadrado sobre
r aquí la fuerza centrípeta es dada por
la fuerza magnética
efe por lo tanto q v b es igual a m v al
cuadrado sobre r por consiguiente el
radio r de su órbita circular es r es
igual a m v sobre q b la demostración
experimental puede verse utilizando un
dispositivo llamado tubo de as vino de
radiación este es una cámara esférica
verticalmente orientada que contiene gas
inerte a baja presión allí dentro está
montado horizontalmente un cañón de
electrones dos bobinas llamadas bobinas
helmholtz acumuladas como se muestra
producen un campo magnético uniforme
perpendicular al cañón de electrones
cuando una corriente pasa
desde ellas cuando el cañón de
electrones se enciende uno puede ver un
anillo brillante dentro de la bombilla a
nivel microscópico uno puede ver que
esto se debe a la presencia del campo
magnético ve la fuerza magnética fbi
fuerza a los electrones a un movimiento
circular como explicado anteriormente
durante este pasaje los electrones
interactúan con electrones atómicos de
gas y los estimulan luego se
desestimulan y emiten radiación un gran
número de tales interacciones a lo largo
de la trayectoria circular emiten
radiación individual que puede ser vista
colectivamente como luz en forma de
anillo a nivel microscópico
[Música]
aumentando el potencial de aceleración
aumenta la velocidad de los electrones
como resultado el radio del anillo
aumenta aumentando la corriente en las
bobinas resulta en un aumento en el
campo magnético consecuentemente el
radio de la trayectoria circular decrece
estas observaciones van en concordancia
con la fórmula derivada consideremos el
caso de un tubo de asesinos de radiación
cátodo ce
rt cuando no se aplica ningún potencial
a sus sistemas desviadores puedes ver un
punto en el centro de su pantalla
a medida que el rayo de electrones
golpea a la pantalla fluorescente
si colocas dos barras magnéticas
enfrentando polos opuestos como se
muestra el punto es desviado esto es
porque cada electrón es influenciado por
la fuerza magnética debido al campo
magnético y es desviado de su
trayectoria recta en un crt las barras
magnéticas producen un campo magnético
débil y los electrones tienen una
velocidad muy alta por lo tanto el radio
de curvatura de los electrones es muy
grande comparado con la sección
transversal de los imanes
consecuentemente la trayectoria
recorrida por los electrones en el campo
es un arco circular de radio r los
electrones no quedan atrapados y pueden
escapar del campo ellos se mueven a lo
largo de una línea recta para golpear la
pantalla y formar un punto ahora dispara
una carga con su vector de velocidad
produciendo un ángulo tita con el campo
magnético el vector v puede
descomponerse en dos componentes del
vector perpendicular uno es paralelo al
vector b el vector v es igual a v coseno
tita
el otro es perpendicular a vector b v
perpendicular igual a v cintita j cab ya
que el ángulo entre vector v y b es cero
el componente de la velocidad paralela
no es influenciado por la fuerza
magnética y contribuye a su movimiento
lineal a lo largo de vector b sin
embargo siendo perpendicular al campo
magnético
el componente perpendicular v es sujeto
a la fuerza magnética provocando un
movimiento circular de la carga en el
plano perpendicular a vector b por
consecuencia el movimiento de la carga
es el resultado del movimiento lineal y
circular el cual es un movimiento
helicoidal con una inclinación
determinada a medida que el ángulo dita
entre la velocidad y el campo magnético
aumenta la inclinación de su trayectoria
helicoidal se reduce la inclinación es
dada por la fórmula 2 piporé r por v
paralela sobre v perpendicular para su
prueba experimental gira el cañón
electrónico del tubo de radiación de as
puedes ver que el anillo toma la forma
de una hélice esto implica que la
trayectoria de los electrones es
helicoidal dentro de la bombilla ahora
consideremos la primera pregunta que
teníamos sobre la ionosfera sabemos que
la tierra tiene su propio campo
magnético
cuando partículas de aire son ionizadas
se producen iones y electrones y el
campo magnético de la tierra no les
permite escapar de la atmósfera y los
atrapa como explicamos anteriormente
el movimiento de cargas positivas y
negativas es en dirección opuesta y las
cargas siguen una trayectoria helicoidal
alrededor de las líneas del campo
magnético de esta manera es como se
forma la ionosfera ahora puedes adivinar
por qué la imagen de un televisor
convencional se distorsiona cuando se
mantiene un imán cerca de éste
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