Aplicaciones de física moderna.
Los campos magnéticos se utilizan en física para controlar el movimiento de las partículas subatómicas.
Tanto para acelerar, para encerrar, para analizar la masa, la carga o la velocidad de estas partículas que forman los átomos se utilizan los campos magnéticos. Tienen la ventaja que las fuerzas que aparecen son tangenciales y por tanto se pueden controlar mejor que con campos eléctricos. En realidad se suelen utilizar ambos campos combinados. Con los campos eléctricos podemos acelerar o frenar las partículas y con los magnéticos podemos mantenerlas (a pesar de tener velocidades cercanas a la de la luz) dentro del laboratorio.
Podemos leer en la wikipedia que en el LHC de Ginebra "Los protones se acelerarán hasta tener una energía de 7 TeV cada uno (siendo el total de energía de la colisión de 14 TeV). Se están construyendo 5 experimentos para el LHC. Dos de ellos, ATLAS y CMS, son grandes detectores de partículas de propósito general. Los otros tres, LHCb, ALICE y TOTEM, son más pequeños y especializados. El LHC también puede emplearse para hacer colisionar iones pesados tales como plomo (la colisión tendrá una energía de 1150 TeV). Los físicos confían en que el LHC proporcione respuestas a las siguientes cuestiones:
Podemos ver el funcionamiento del LHC la mayor máquina científica construida por el hombre en este vídeo.
La cumbre de todos estos estudios lo forman los grandes aceleradores, las catedrales de la física de hoy en día. En ellos se mantienen los protones o electrones dando vueltas en túneles de kilómetros de radio acelerándoles a velocidades próximas a la de la luz.
El significado de la masa (se sabe cómo medirla pero no se sabe qué es realmente)
La masa de las partículas y su origen (en particular, si existe el bosón de Higgs)
El origen de la masa de los bariones
Número de partículas totales del átomo
A saber el porqué tienen las partículas elementales diferentes masas (es decir, si interactúan las partículas con un campo de Higgs)
El 95% de la masa del universo no está hecha de la materia que se conoce y se espera saber qué es la materia oscura
La existencia o no de las partículas supersimétricas
Si hay dimensiones extras, tal como predicen varios modelos inspirados por la Teoría de cuerdas, y, en caso afirmativo, por qué no se han podido percibir
Si hay más violaciones de simetría entre la materia y la antimateria
El LHC es un proyecto de tamaño inmenso y una enorme tarea de ingeniería. Mientras esté encendido, la energía total almacenada en los imanes es 10 gigajulios y en el haz 725 megajulios."
Vamos a ver en detalle alguna de estas máquinas:
El ciclotrón:
El ciclotrón consta de dos espacios en forma de D done se ha hecho el vacío. Por medio de un campo magnético perpendicular se hace dar vueltas al haz de partículas.
Cuando las partículas atraviesan la zona entre las Ds son aceleradas por un campo eléctrico oscilante. En consecuencia las partículas se aceleran en esa zona y dan vueltas en órbitas cada vez más abiertas. (recordar los problemas que hemos hecho).
Cuando están próximo a la parte exterior se anula el campo magnético y se obtiene un haz de partículas cargadas a bastante velocidad.
La velocidad que se puede lograr depende del diámetro de las Ds y de los campos magnéticos disponibles. Se recurre a corrientes eléctricas muy intensas que hacen necesarios superconductores para que circulen.
El sincrotón:
El sincrotón tiene forma de anillo interrumpido por unas pequeñas zonas cortadas. En el anillo ponemos un campo magnético creciente y en las zonas cortadas aceleradores eléctricos. Las partículas se aceleran y se mantienen en la órbita por el campo magnético creciente.
Una aplicación de estos aceleradores es lograr electrones de alta energía de manera que al estar acelerados (aceleración normal proporcional a v2) emiten energía electromagnética de frecuencia igual a la frecuencia de giro. Esta radiación se mueve en el campo de los rayos X o gamma y se puede utilizar para muchos estudios sobre materiales, estructuras cristalinas etc.
En España se inaguró recientemente un sincrotón de última generación llamado ALBA.
El selector de velocidades:
Para controlar las velocidades de un haz de partículas cargadas de masa y carga conocidas se usan un campo eléctrico y un campo magnético perpendiculares a la dirección del movimiento de las partículas:
La fuerza eléctrica se controla con el campo eléctrico E; Fe=q.E
La fuerza magnética se controla con el campo B, pero depende de la velocidad; Fm=qvB
Si ambas fuerzas se anulan las partículas siguen en línea recta lo cual ocurrirá cuando: v=E/B
Solo las partículas con esas velocidades atravesaran los campos, hemos construido un selector de velocidades.
El espectrógrafo de masas.
Un espectrógrafo de masas es un aparato destinado a medir las masas de partículas, iones o moléculas.
Primero tenemos que cargar las partículas y acelerarlas con un campo eléctrico.Con un campo magnético se logra que giren detectándose el punto en el que han dado medio giro.
Conociendo el radio de la órbita podemos averiguar su masa ya que la velocidad y la carga son conocidas.
Actualmente la espectrometría de masas es el mejor método para analizar cualitativa y cuantitativamente iones atómicos y también moleculares, si bien el análisis de los segundos resulta más complejo porque las moléculas previamente se han de "atomizar" o al, menos, se deben fragmentar. Así, mientras los espectros atómicos de masas son muy sencillos y fáciles de interpretar (mucho más que los espectros atómicos ópticos), los espectros de masas moleculares requieren aplicar algunas reglas de inferencia. A pesar de ello se considera la mejor técnica actual para resolver las estructuras de moléculas desconocidas.