D.2 · D.3 · CLASE VIRTUAL

Ciclotrón. Construir cada vuelta.

De una aceleración vertical a una trayectoria que crece: observa cada región y deduce la rapidez, el radio, la sincronización y la relación entre el radio y el número de cruces.

Modelo clásico no relativista · carga positiva · B uniforme perpendicular a v · hueco acelerador estrecho · sin pérdidas de energía.
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DE LAS LEYES FÍSICAS A LAS EXPRESIONES

Del movimiento a las ecuaciones.

El razonamiento sigue el orden de la simulación. Los símbolos y sus colores mantienen el mismo significado durante toda la lectura.

v · rapidezE, V, ΔV · electricidadB, r · magnetismo y radiom, q, n · masa, carga y cruces

La primera aceleración. El campo eléctrico realiza trabajo al pasar de un potencial alto a uno bajo. Para una carga positiva, ΔV es la caída de potencial entre la entrada y la salida, tomada como magnitud positiva.

WE=−ΔEp=−q(Vsalida−Ventrada)=∣q∣ΔV{\textcolor{#986000}{W_E}}=-{\textcolor{#986000}{\Delta}} E_p=-q({\textcolor{#986000}{V}}_{\mathrm{salida}}-{\textcolor{#986000}{V}}_{\mathrm{entrada}})=|q|{\textcolor{#986000}{\Delta V}}

Aplicamos el teorema del trabajo y la energía cinética.

WE=ΔEc⟹∣q∣ΔV=12mv12−12mv02{\textcolor{#986000}{W_E}}={\textcolor{#986000}{\Delta}} E_c\quad\Longrightarrow\quad |q|{\textcolor{#986000}{\Delta V}}=\frac12m{\textcolor{#2567a1}{v}}_1^2-\frac12m{\textcolor{#2567a1}{v}}_0^2

Multiplicamos ambos miembros por 2/m para aislar la diferencia de los cuadrados.

2∣q∣ΔVm=v12−v02\frac{2|q|{\textcolor{#986000}{\Delta V}}}{m}={\textcolor{#2567a1}{v}}_1^2-{\textcolor{#2567a1}{v}}_0^2

Sumamos v₀² a ambos lados.

v12=v02+2∣q∣ΔVm{\textcolor{#2567a1}{v}}_1^2={\textcolor{#2567a1}{v}}_0^2+\frac{2|q|{\textcolor{#986000}{\Delta V}}}{m}

Tomamos la raíz positiva porque calculamos una rapidez. Si la partícula parte del reposo, sustituimos v₀ = 0.

v1=v02+2∣q∣ΔVmv0=0:v1=2∣q∣ΔVm\begin{aligned}{\textcolor{#2567a1}{v}}_1&=\sqrt{{\textcolor{#2567a1}{v}}_0^2+\frac{2|q|{\textcolor{#986000}{\Delta V}}}{m}}\\v_0=0:\quad {\textcolor{#2567a1}{v}}_1&=\sqrt{\frac{2|q|{\textcolor{#986000}{\Delta V}}}{m}}\end{aligned}

La primera semicircunferencia. En el arco v es perpendicular a B. La fuerza magnética tiene este módulo y apunta perpendicularmente a la velocidad.

∣FB∣=∣q∣v1B,FB⋅v=0|{\textcolor{#187657}{\mathbf F_B}}|=|q|{\textcolor{#2567a1}{v}}_1{\textcolor{#187657}{B}},\qquad {\textcolor{#187657}{\mathbf F_B}}\cdot{\textcolor{#2567a1}{\mathbf v}}=0

Al no realizar trabajo, B conserva la rapidez. La aceleración apunta al centro de la trayectoria circular.

WB=0⟹ΔEc=0,ac=v12r1W_{\textcolor{#187657}{B}}=0\Longrightarrow{\textcolor{#986000}{\Delta}} E_c=0,\qquad a_c=\frac{{\textcolor{#2567a1}{v}}_1^2}{{\textcolor{#187657}{r}}_1}

Aplicamos la segunda ley de Newton en la dirección radial: la fuerza magnética proporciona la fuerza centrípeta.

∣q∣v1B=mac=mv12r1|q|{\textcolor{#2567a1}{v}}_1{\textcolor{#187657}{B}}=ma_c=\frac{m{\textcolor{#2567a1}{v}}_1^2}{{\textcolor{#187657}{r}}_1}

Multiplicamos por r₁ y dividimos por |q|v₁B. Como v₁ > 0, podemos cancelar un factor v₁.

r1=mv12∣q∣v1B=mv1∣q∣B{\textcolor{#187657}{r}}_1=\frac{m{\textcolor{#2567a1}{v}}_1^2}{|q|{\textcolor{#2567a1}{v}}_1{\textcolor{#187657}{B}}}=\frac{m{\textcolor{#2567a1}{v}}_1}{|q|{\textcolor{#187657}{B}}}

El regreso al hueco. El campo magnético no ha hecho trabajo durante la semivuelta. La rapidez de entrada al segundo cruce es v₁.

ventrada,2=vsalida del arco,1=v1{\textcolor{#2567a1}{v}}_{\mathrm{entrada},2}={\textcolor{#2567a1}{v}}_{\mathrm{salida\ del\ arco},1}={\textcolor{#2567a1}{v}}_1

Invertimos la polaridad: la fuerza vuelve a favorecer el movimiento. El trabajo del segundo cruce es positivo.

WE,2=∣q∣ΔV=12mv22−12mv12W_{{\textcolor{#986000}{E}},2}=|q|{\textcolor{#986000}{\Delta V}}=\frac12m{\textcolor{#2567a1}{v}}_2^2-\frac12m{\textcolor{#2567a1}{v}}_1^2

Multiplicamos por 2/m y sumamos v₁².

v22=v12+2∣q∣ΔVm{\textcolor{#2567a1}{v}}_2^2={\textcolor{#2567a1}{v}}_1^2+\frac{2|q|{\textcolor{#986000}{\Delta V}}}{m}

Tomamos la raíz positiva: esta es la rapidez de salida en función de la rapidez de entrada.

v2=v12+2∣q∣ΔVm{\textcolor{#2567a1}{v}}_2=\sqrt{{\textcolor{#2567a1}{v}}_1^2+\frac{2|q|{\textcolor{#986000}{\Delta V}}}{m}}

Sustituimos el resultado deducido en el primer cruce y sumamos los dos incrementos iguales.

v22=(v02+2∣q∣ΔVm)+2∣q∣ΔVmv2=v02+4∣q∣ΔVm\begin{aligned}{\textcolor{#2567a1}{v}}_2^2&=\left({\textcolor{#2567a1}{v}}_0^2+\frac{2|q|{\textcolor{#986000}{\Delta V}}}{m}\right)+\frac{2|q|{\textcolor{#986000}{\Delta V}}}{m}\\v_2&=\sqrt{{\textcolor{#2567a1}{v}}_0^2+\frac{4|q|{\textcolor{#986000}{\Delta V}}}{m}}\end{aligned}

Un segundo radio mayor. La nueva rapidez es v₂. Volvemos a aplicar la segunda ley de Newton en dirección radial.

∣q∣v2B=mv22r2|q|{\textcolor{#2567a1}{v}}_2{\textcolor{#187657}{B}}=\frac{m{\textcolor{#2567a1}{v}}_2^2}{{\textcolor{#187657}{r}}_2}

Despejamos el radio exactamente como en la primera región magnética.

r2=mv2∣q∣B{\textcolor{#187657}{r}}_2=\frac{m{\textcolor{#2567a1}{v}}_2}{|q|{\textcolor{#187657}{B}}}

Dividimos este resultado por el radio anterior. Masa, carga y campo son los mismos y se cancelan.

r2r1=mv2∣q∣Bmv1∣q∣B=v2v1\frac{{\textcolor{#187657}{r}}_2}{{\textcolor{#187657}{r}}_1}=\frac{\frac{m{\textcolor{#2567a1}{v}}_2}{|q|{\textcolor{#187657}{B}}}}{\frac{m{\textcolor{#2567a1}{v}}_1}{|q|{\textcolor{#187657}{B}}}}=\frac{{\textcolor{#2567a1}{v}}_2}{{\textcolor{#2567a1}{v}}_1}

Para v₀ = 0, sustituimos los cuadrados de las rapideces ya deducidas. La razón de sus cuadrados es dos.

(v2v1)2=4∣q∣ΔV/m2∣q∣ΔV/m=2\left(\frac{{\textcolor{#2567a1}{v}}_2}{{\textcolor{#2567a1}{v}}_1}\right)^2=\frac{4|q|{\textcolor{#986000}{\Delta V}}/m}{2|q|{\textcolor{#986000}{\Delta V}}/m}=2

Tomamos la raíz positiva y la trasladamos a los radios.

v2v1=2⟹r2=2 r1\frac{{\textcolor{#2567a1}{v}}_2}{{\textcolor{#2567a1}{v}}_1}=\sqrt2\quad\Longrightarrow\quad {\textcolor{#187657}{r}}_2=\sqrt2\,{\textcolor{#187657}{r}}_1

Después de n cruces. Escribimos el balance energético de un cruce cualquiera, del estado i−1 al estado i.

12mvi2−12mvi−12=∣q∣ΔV\frac12m{\textcolor{#2567a1}{v}}_i^2-\frac12m{\textcolor{#2567a1}{v}}_{i-1}^2=|q|{\textcolor{#986000}{\Delta V}}

Multiplicamos por 2/m. Obtenemos la misma diferencia de cuadrados para todos los cruces.

vi2−vi−12=2∣q∣ΔVm{\textcolor{#2567a1}{v}}_i^2-{\textcolor{#2567a1}{v}}_{i-1}^2=\frac{2|q|{\textcolor{#986000}{\Delta V}}}{m}

Escribimos los primeros balances y el último. Cada velocidad intermedia aparece una vez con signo positivo y otra con signo negativo.

(v12−v02)+(v22−v12)+⋯+(vn2−vn−12)=n 2∣q∣ΔVm\begin{aligned}({\textcolor{#2567a1}{v}}_1^2-{\textcolor{#2567a1}{v}}_0^2)+({\textcolor{#2567a1}{v}}_2^2-{\textcolor{#2567a1}{v}}_1^2)+\cdots+({\textcolor{#2567a1}{v}}_n^2-{\textcolor{#2567a1}{v}}_{n-1}^2)\\=n\,\frac{2|q|{\textcolor{#986000}{\Delta V}}}{m}\end{aligned}

Cancelamos los términos intermedios: la suma es telescópica. Solo quedan el estado final y el inicial.

vn2−v02=2n∣q∣ΔVm{\textcolor{#2567a1}{v}}_n^2-{\textcolor{#2567a1}{v}}_0^2=\frac{2n|q|{\textcolor{#986000}{\Delta V}}}{m}

Sumamos v₀² y tomamos la raíz positiva. n cuenta cruces aceleradores.

vn=v02+2n∣q∣ΔVm{{\textcolor{#2567a1}{v}}_n=\sqrt{{\textcolor{#2567a1}{v}}_0^2+\frac{2n|q|{\textcolor{#986000}{\Delta V}}}{m}}}

Multiplicamos el balance de cuadrados por m/2 para hallar la energía. Sustituimos vₙ en el radio y, desde el reposo, factorizamos √n.

Ec,n=Ec,0+n∣q∣ΔVrn=mvn∣q∣Bv0=0:vn=n v1,rn=n r1\begin{aligned}E_{c,n}&=E_{c,0}+n|q|{\textcolor{#986000}{\Delta V}}\\r_n&=\frac{m{\textcolor{#2567a1}{v}}_n}{|q|{\textcolor{#187657}{B}}}\\v_0=0:\quad {\textcolor{#2567a1}{v}}_n&=\sqrt n\,{\textcolor{#2567a1}{v}}_1,\quad {\textcolor{#187657}{r}}_n=\sqrt n\,{\textcolor{#187657}{r}}_1\end{aligned}

La sincronización. La longitud de una semicircunferencia es πr. Como la rapidez es constante dentro de B, dividimos longitud entre rapidez.

t1/2=πrvt_{1/2}=\frac{\pi {\textcolor{#187657}{r}}}{{\textcolor{#2567a1}{v}}}

Sustituimos el radio deducido con la fuerza centrípeta.

t1/2=πv mv∣q∣Bt_{1/2}=\frac{\pi}{{\textcolor{#2567a1}{v}}}\,\frac{m{\textcolor{#2567a1}{v}}}{|q|{\textcolor{#187657}{B}}}

Cancelamos v entre numerador y denominador. El resultado no depende ni de la rapidez ni del radio.

t1/2=πm∣q∣Bt_{1/2}=\frac{\pi m}{|q|{\textcolor{#187657}{B}}}

Una vuelta contiene dos semivueltas. La polaridad debe invertirse cada semivuelta y repetirse tras una vuelta.

T=2t1/2=2πm∣q∣BT=2t_{1/2}=\frac{2\pi m}{|q|{\textcolor{#187657}{B}}}

La frecuencia es la inversa del período. Se desprecia el tiempo de tránsito por el hueco.

f=1T=∣q∣B2πmf=\frac1T=\frac{|q|{\textcolor{#187657}{B}}}{2\pi m}

El crecimiento del radio. Partimos de la condición de fuerza centrípeta que dedujimos en cada región magnética.

rn=mvn∣q∣B{\textcolor{#187657}{r}}_n=\frac{m{\textcolor{#2567a1}{v}}_n}{|q|{\textcolor{#187657}{B}}}

Sustituimos la rapidez después de n cruces obtenida al sumar los balances de energía.

rn=m∣q∣Bv02+2n∣q∣ΔVm{\textcolor{#187657}{r}}_n=\frac{m}{|q|{\textcolor{#187657}{B}}}\sqrt{{\textcolor{#2567a1}{v}}_0^2+\frac{2n|q|{\textcolor{#986000}{\Delta V}}}{m}}

Elevamos al cuadrado y distribuimos el factor m²/(|q|²B²) sobre los dos sumandos.

rn2=m2v02∣q∣2B2+2mnΔV∣q∣B2{\textcolor{#187657}{r}}_n^2=\frac{m^2{\textcolor{#2567a1}{v}}_0^2}{|q|^2{\textcolor{#187657}{B}}^2}+\frac{2mn{\textcolor{#986000}{\Delta V}}}{|q|{\textcolor{#187657}{B}}^2}

Identificamos el primer término como r₀², con r₀ = mv₀/(|q|B), y tomamos la raíz positiva.

rn=r02+2mΔV∣q∣B2 n,r0=mv0∣q∣B{{\textcolor{#187657}{r}}_n=\sqrt{{\textcolor{#187657}{r}}_0^2+\frac{2m{\textcolor{#986000}{\Delta V}}}{|q|{\textcolor{#187657}{B}}^2}\,n}},\qquad {\textcolor{#187657}{r}}_0=\frac{m{\textcolor{#2567a1}{v}}_0}{|q|{\textcolor{#187657}{B}}}

Desde el reposo, v₀ = 0 y r₀ = 0. Sacamos √n de la raíz y reconocemos el radio del primer cruce.

v0=0:rn=2mΔV∣q∣B2n=r1n{\textcolor{#2567a1}{v}}_0=0:\qquad {\textcolor{#187657}{r}}_n=\sqrt{\frac{2m{\textcolor{#986000}{\Delta V}}}{|q|{\textcolor{#187657}{B}}^2}}\sqrt n={{\textcolor{#187657}{r}}_1\sqrt n}

Al cuadrar vemos por qué la curva se aplana: r² crece linealmente con n, mientras r crece como su raíz cuadrada.

rn2=r02+(2mΔV∣q∣B2)nv0=0:r4n=2rn,r9n=3rn\begin{aligned}{\textcolor{#187657}{r}}_n^2&={\textcolor{#187657}{r}}_0^2+\left(\frac{2m{\textcolor{#986000}{\Delta V}}}{|q|{\textcolor{#187657}{B}}^2}\right)n\\v_0=0:\quad {\textcolor{#187657}{r}}_{4n}&=2{\textcolor{#187657}{r}}_n,\qquad {\textcolor{#187657}{r}}_{9n}=3{\textcolor{#187657}{r}}_n\end{aligned}

RELACIONAR LOS RESULTADOS DEDUCIDOS

Del fenómeno al instrumento.

La energía crece en el hueco

Cada cruce añade |q|ΔV. Al sumar los balances se cancelan los estados intermedios: Ec,n = Ec,0 + n|q|ΔV.

El radio crece con la rapidez

La fuerza magnética proporciona la aceleración centrípeta. Desde el reposo, vₙ y rₙ crecen como √n. Dentro de cada arco se conserva la rapidez.

La semivuelta tarda lo mismo

Al sustituir r = mv/(|q|B) en t = πr/v se cancela v. La polaridad se invierte cada T/2 y la tensión completa un ciclo en T.

Tabla de velocidades, energías y radios por cruce
Suposiciones del modelo y lecturas

n cuenta cruces aceleradores, no vueltas. El primer cruce atraviesa toda la diferencia de potencial indicada. El modelo desprecia el campo magnético y el tiempo de tránsito dentro del hueco, y el campo eléctrico dentro de las regiones magnéticas. El hueco se amplía visualmente de forma fija para ver cada cruce; esta ampliación no cambia los radios ni los cálculos. Una pausa visual antes de cada regreso muestra la inversión de polaridad; no representa una detención física del ion.

El movimiento se ralentiza para verlo; el control de recorrido indica avance de la animación, no una escala uniforme de tiempo físico. Cada arco sí es una semicircunferencia con r = mv/(|q|B). En el hueco se usa aceleración eléctrica constante. Al alcanzar rapideces relativistas, la frecuencia clásica deja de mantener la sincronización.

Para profundizar: OpenStax · aplicaciones de las fuerzas magnéticas y CERN Accelerator School · ciclotrones.

COMPARAR LOS RESULTADOS DEDUCIDOS

Rapidez y radio frente al número de cruces.

vₙ frente a n

rₙ frente a n