Conceptos Fundamentales del Campo Magnético y la Radiactividad

Campo Magnético

El magnetismo es una propiedad que poseen los imanes y las corrientes eléctricas. La interacción entre ellos nos lleva a deducir que alrededor de un imán existe una fuerza que se manifiesta al acercar otro imán (esto también ocurre con los hilos de corriente). Lo que sucede es que entre estos se crea un campo denominado campo magnético, representado en teslas (T) según el Sistema Internacional (SI). Este campo se genera gracias a la presencia de partículas con carga eléctrica en movimiento. En otras palabras, así es como se crea un campo eléctrico con una partícula cargada eléctricamente en movimiento.

Fuerza Magnética

Esta fuerza presenta las siguientes características:

• Si la carga testigo no se mueve, no hay fuerza magnética.
• La fuerza magnética depende de la dirección en la que se mueve la carga testigo.

Ley de Lorentz

Según Lorentz, la fuerza magnética sobre una partícula es proporcional a su carga y al producto vectorial de la velocidad por el campo magnético. A esta ley se le conoce como ley de Lorentz.

• Si la velocidad es cero, la fuerza magnética también lo es.
• Si los vectores de la velocidad y el campo magnético son paralelos, la fuerza también es cero.
• El ángulo entre el vector de la velocidad y el campo magnético es 0.

Para determinar la dirección del producto vectorial (V x B), se utiliza la regla de la mano derecha.

Trayectoria en un Campo Magnético Perpendicular a la Velocidad

Supongamos una partícula con carga que se mueve en un campo magnético estacionario (B) con una velocidad (V) perpendicular al campo. La fuerza magnética es perpendicular al campo.

La fuerza magnética actúa como una fuerza centrípeta, generando un movimiento circular uniforme.

El radio de la circunferencia se calcula usando la condición de que la fuerza magnética actúa como la centrípeta. Este radio es inversamente proporcional a la carga y al campo magnético.

Según el signo de la carga, la fuerza magnética girará hacia un lado u otro (sentido horario o antihorario).

El período de movimiento (el tiempo que tarda en dar una vuelta) se obtiene conociendo la velocidad de la partícula y la longitud de la circunferencia.

Primera Ley de Laplace

Para pasar de la ley de Lorentz a la primera ley de Laplace, se utiliza la relación: dq*v = i * dl. Sumando esta fuerza magnética para todas las longitudes que forman un circuito completo, se puede hallar la fuerza total que actúa sobre dicho circuito.

Fuerza Magnética sobre un Hilo de Corriente Rectilíneo

La fuerza magnética que actúa sobre un hilo rectilíneo se calcula mediante la siguiente fórmula:

Fuerza entre Dos Hilos Rectos

Los circuitos generan a su alrededor un campo magnético, y si se coloca otro circuito, ambos se verán afectados por fuerzas magnéticas.

En el caso de dos hilos de corriente paralelos, cada hilo crea un campo magnético a su alrededor, afectando al otro hilo.

Y en cuanto a la fuerza magnética del hilo afectado:

Usando las dos ecuaciones anteriores, encontramos el módulo de la fuerza magnética que actúa sobre el hilo afectado:

Dado que la fuerza depende de la longitud del hilo de la derecha, l2, el resultado se suele expresar como la fuerza que experimenta el hilo por unidad de longitud:

Se puede demostrar que dos hilos de corriente paralelos con intensidades en el mismo sentido se atraen con una fuerza directamente proporcional a las intensidades de corriente e inversamente proporcional a la distancia entre ambos.

En el caso de que las intensidades de corriente tengan sentidos opuestos, se llega al mismo resultado, pero con repulsión.

Campo Magnético Creado por un Hilo de Corriente Muy Largo

El módulo del campo magnético a una distancia del hilo por donde pasa la intensidad es:

Las líneas de fuerza del campo magnético forman circunferencias centradas en el hilo, y su sentido se determina con la regla de la mano derecha, haciendo coincidir el pulgar con la dirección de la intensidad de corriente.

Ley de Lenz

Con las fuerzas magnéticas y eléctricas sobre electrones, se demuestra la aparición de una fuerza electromotriz en una barra de metal. Faraday descubrió que no se puede utilizar este razonamiento para deducir la aparición de una fuerza electromotriz en un circuito.

Faraday y Henry observaron que los fenómenos de inducción se producen debido a una variación del flujo magnético que delimita la espira.

La fuerza electromotriz tiene una dirección opuesta a la variación del flujo magnético por el tiempo en la superficie de la espira.

Esta es la ley de inducción de Faraday-Henry:

El signo menos se debe a la ley de Lenz, que indica el sentido en que se crea la fuerza electromotriz.

La fuerza electromotriz inducida se opone a la variación del flujo magnético.

Hipótesis Cuántica de Planck

El cambio de energía entre la radiación y la materia ocurre de manera discontinua, y su valor depende de la frecuencia: E = n * h * f

Donde f es la frecuencia, n es un número entero positivo y h es una constante universal (constante de Planck).

Fotoemisión de Electrones (Efecto Fotoeléctrico)

El efecto fotoeléctrico es el proceso que ocurre cuando un metal expulsa electrones al ser iluminado con luz de una frecuencia adecuada.

Existe una frecuencia umbral, que es la frecuencia mínima de la luz para que un metal no extraiga electrones.

La velocidad a la que salen los electrones depende de la frecuencia de la luz incidente.

Teoría de Einstein

Para que los electrones escapen, deben recibir una energía específica. El valor mínimo de esa energía es el trabajo de extracción.

Velocidad de Desintegración Radiactiva

El proceso de desintegración implica el análisis de una gran cantidad de núcleos idénticos.

Este número de núcleos disminuye con el tiempo, generando un ritmo llamado "velocidad de desintegración".

• Según la ley de desintegración radiactiva, la velocidad de la muestra es proporcional al número de núcleos.
• El período de semidesintegración es el tiempo que tarda la muestra en reducirse a la mitad de sus núcleos.

También se puede deducir la vida media del núcleo radiactivo, que se calcula conociendo el tiempo que transcurre antes de que se desintegre.

Radiactividad

La radiactividad es un fenómeno físico por el cual ciertas sustancias emiten radiaciones energéticas y penetrantes.

Varios científicos, incluyendo a Marie Curie, descubrieron que sustancias como el uranio y el torio eran radiactivas. Tras estos descubrimientos, se hallaron dos nuevos elementos aún más radiactivos.

Tipos de Emisiones Radiactivas

Las emisiones de radiación se clasifican en tres tipos: rayos alfa, beta y gamma.

Los rayos alfa y beta son materiales y se diferencian, entre otras cosas, en que tienen signos opuestos. Esto se observa al verse afectados por un campo magnético.

Por otro lado, los rayos gamma no tienen carga ni masa, ya que son fotones de alta energía. Esto hace que los campos magnéticos no les afecten.

Dependiendo del tipo de radiación, pueden o no atravesar un material:

• Alfa: No atraviesa el papel (fino).
• Beta: Atraviesa el papel, pero no el aluminio.
• Gamma: Atraviesa el papel y el aluminio, pero no el hormigón.

Leyes de los Desplazamientos Radiactivos

Primera Ley de Soddy-Fajans

Cuando un átomo emite un rayo alfa, el elemento retrocede dos posiciones en el sistema periódico.

Segunda Ley de Soddy-Fajans

Cuando un átomo emite un rayo beta, el elemento avanza una posición en el sistema periódico.

Emisión de Rayos Gamma

Esta radiactividad (gamma) consiste en la emisión de fotones de muy alta energía, que se produce cuando un núcleo pasa de un estado excitado a uno de menor energía.