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Movimiento de cargas: fuerza de Lorentz

Castilla y León · 2022 · Julio
Enunciado
Un protón penetra perpendicularmente a un campo magnético uniforme de 3 T3\ \text{T}. Si el protón se mueve con una energía cinética de 4 MeV4\ \text{MeV}, ¿qué fuerza ejerce el campo sobre el protón?

Datos (de la tabla de constantes del examen): e=1,60⋅10−19 Ce = 1{,}60\cdot 10^{-19}\ \text{C}; mp=1,67⋅10−27 kgm_p = 1{,}67\cdot 10^{-27}\ \text{kg}; 1 eV=1,60⋅10−19 J1\ \text{eV} = 1{,}60\cdot 10^{-19}\ \text{J}.
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Resultado
  F=e v B=1,33⋅10−11 N  (perpendicular a v⃗ y a B⃗)  \boxed{\;F = e\,v\,B = 1{,}33\cdot 10^{-11}\ \text{N}\ \ (\text{perpendicular a }\vec v\text{ y a }\vec B)\;}
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Estrategia

La fuerza magnética sobre una carga es la de Lorentz, F⃗=q v⃗×B⃗\vec F = q\,\vec v\times\vec B; con v⃗\vec v perpendicular a B⃗\vec B, su módulo es F=qvBF = qvB. Falta la velocidad, que se obtiene de la energía cinética pasada a julios.
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Desarrollo

Energía cinética en julios:Ec=4⋅106 eV⋅1,60⋅10−19 J/eV=6,40⋅10−13 JE_c = 4\cdot 10^{6}\ \text{eV}\cdot 1{,}60\cdot 10^{-19}\ \text{J/eV} = 6{,}40\cdot 10^{-13}\ \text{J}Velocidad del protón:Ec=12mpv2⟹v=2Ecmp=2⋅6,40⋅10−131,67⋅10−27=2,77⋅107 m/sE_c = \tfrac{1}{2}m_p v^2\quad\Longrightarrow\quad v = \sqrt{\frac{2E_c}{m_p}} = \sqrt{\frac{2\cdot 6{,}40\cdot 10^{-13}}{1{,}67\cdot 10^{-27}}} = 2{,}77\cdot 10^{7}\ \text{m/s}(Es un 9 % de la velocidad de la luz: la expresión clásica de la energía cinética es una buena aproximación.)

Fuerza de Lorentz, con v⃗⊥B⃗\vec v\perp\vec B (sin⁡90∘=1\sin 90^\circ = 1):F=e v B sin⁡90∘=1,60⋅10−19⋅2,77⋅107⋅3=1,33⋅10−11 NF = e\,v\,B\,\sin 90^\circ = 1{,}60\cdot 10^{-19}\cdot 2{,}77\cdot 10^{7}\cdot 3 = 1{,}33\cdot 10^{-11}\ \text{N}La fuerza es perpendicular a la velocidad y al campo, así que no cambia el módulo de la velocidad: actúa como fuerza centrípeta y el protón describe una circunferencia en el plano perpendicular a B⃗\vec B.
Simulación interactivaVisualiza este problema en una simulación (se abre en una nueva pestaña)
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Consejo

Pasa los MeV a julios antes de calcular la velocidad: 1 MeV=1,60⋅10−13 J1\ \text{MeV} = 1{,}60\cdot 10^{-13}\ \text{J}. Y di la dirección de la fuerza: perpendicular a v⃗\vec v y a B⃗\vec B, por eso no hace trabajo.
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