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Movimiento de cargas: fuerza de Lorentz

Castilla y León · 2021 · Julio
Enunciado
Dos cargas eléctricas, que se desplazan a igual velocidad, entran en una región del espacio en la que existe un campo magnético perpendicular a la dirección de su movimiento. Como consecuencia, ambas describen circunferencias de igual radio, pero en sentidos contrarios. Si la masa de la primera es el doble que la de la segunda, deduzca qué relación guardan las cargas de ambas partículas.
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Resultado
  ∣q1∣=2 ∣q2∣  y signos opuestos:  q1=−2 q2  \boxed{\;|q_1| = 2\,|q_2|\ \ \text{y signos opuestos:}\ \ q_1 = -2\,q_2\;}
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Estrategia

La fuerza de Lorentz, perpendicular a la velocidad, hace de fuerza centrípeta, y de ahí sale el radio de la trayectoria, r=mv/(∣q∣B)r = mv/(|q|B). Con igual radio, velocidad y campo, el cociente m/∣q∣m/|q| es el mismo para las dos: eso da la relación entre los valores de las cargas. El sentido de giro, que depende del signo de la carga, da la relación entre sus signos.
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Desarrollo

Sobre cada carga actúa la fuerza de Lorentz F⃗=q v⃗×B⃗\vec F = q\,\vec v\times\vec B. Como v⃗⊥B⃗\vec v \perp \vec B, su módulo es ∣q∣ v B|q|\,v\,B y es perpendicular a la velocidad: no cambia el módulo de vv, solo su dirección, y la carga describe un movimiento circular uniforme. La fuerza magnética es la fuerza centrípeta:∣q∣ v B=m v2r⟹r=m v∣q∣ B|q|\,v\,B = m\,\frac{v^2}{r}\quad\Longrightarrow\quad r = \frac{m\,v}{|q|\,B}Aplicándolo a las dos partículas, con el mismo rr, la misma vv y el mismo BB:m1 v∣q1∣ B=m2 v∣q2∣ B⟹∣q1∣∣q2∣=m1m2=2\frac{m_1\,v}{|q_1|\,B} = \frac{m_2\,v}{|q_2|\,B}\quad\Longrightarrow\quad \frac{|q_1|}{|q_2|} = \frac{m_1}{m_2} = 2Signo. Con la misma velocidad y el mismo campo, el producto v⃗×B⃗\vec v\times\vec B es el mismo para las dos; la fuerza tiene el sentido de ese producto si la carga es positiva y el contrario si es negativa. Como giran en sentidos contrarios, las fuerzas iniciales tienen sentidos opuestos, así que las cargas tienen signos opuestos.

En resumen, la carga de la primera partícula tiene el doble de valor que la de la segunda y signo contrario:q1=−2 q2q_1 = -2\,q_2
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Consejo

Lee los dos datos de la trayectoria por separado: el radio da el cociente m/∣q∣m/|q| y el sentido de giro da el signo de la carga. Una respuesta completa necesita los dos.
Paso 1 de 3
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