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Movimiento de cargas: fuerza de Lorentz

Castilla y León · 2023 · Junio
Enunciado
Dos partículas AA y BB, de igual carga y masa, se mueven en la misma dirección y entran perpendicularmente en un campo magnético uniforme. Si la relación entre sus velocidades es vB=2vAv_B = 2v_A, ¿qué relación existe entre los radios de sus trayectorias? ¿Y entre las frecuencias de los respectivos movimientos circulares?
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Resultado
  RB=2RAfB=fA  \boxed{\;R_B = 2R_A\qquad f_B = f_A\;}
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Estrategia

Una carga que entra perpendicularmente en un campo magnético uniforme describe un movimiento circular uniforme: la fuerza de Lorentz es perpendicular a la velocidad y hace de fuerza centrípeta. De ahí salen el radio, proporcional a la velocidad, y la frecuencia, que no depende de ella.
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Desarrollo

Con v⃗⊥B⃗\vec v \perp \vec B, la fuerza de Lorentz vale F=∣q∣ v BF = |q|\,v\,B y es perpendicular a la velocidad, así que actúa como 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}Radios. Las dos partículas tienen la misma mm, la misma qq y están en el mismo BB, así que el radio es proporcional a la velocidad:RBRA=vBvA=2⟹RB=2RA\frac{R_B}{R_A} = \frac{v_B}{v_A} = 2\quad\Longrightarrow\quad R_B = 2R_AFrecuencias. El periodo es el tiempo que tarda en dar una vuelta:T=2πRv=2π m∣q∣ Bf=1T=∣q∣ B2π mT = \frac{2\pi R}{v} = \frac{2\pi\,m}{|q|\,B}\qquad f = \frac{1}{T} = \frac{|q|\,B}{2\pi\,m}La frecuencia no depende de la velocidad (ni del radio): solo de la relación carga/masa y del campo. Por tanto:fB=fAf_B = f_ALa partícula BB va el doble de rápido, pero recorre una circunferencia el doble de larga, así que tarda lo mismo en dar una vuelta. Además, como tienen la misma carga, giran en el mismo sentido.
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Consejo

Es el principio del ciclotrón: la frecuencia de giro solo depende de q/m y de B. Si te piden comparar periodos o frecuencias, escribe T = 2πm/(qB) y verás que la velocidad desaparece.
Paso 1 de 3
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