OS FENÔMENOS ELETROMAGNÉTICOS

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UNIVERSIDADE UNIVATES

CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS

CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

TEORIA ELETROMAGNÉTICA APLICADA

FENÔMENOS ELETROMAGNÉTICOS

Matheus de Carvalho Alves

Rafael Augusto Royer

Lajeado, novembro de 2017

1. INTRODUÇÃO

Um filtro ou seletor de velocidades é um instrumento desenvolvido por Wilhelm Wien, e é considerado de suma importância para a física nuclear, fazendo parte da família dos espectrômetros de massa. Também chamado de filtro de Wien, é basicamente um dispositivo que efetua a filtragem de partículas dentro de um feixe de partículas carregadas, e faz isso tendo como critério base as suas respectivas velocidades.

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Figura 1 – Filtro de Wien

1. FUNCIONAMENTO

O seletor de velocidade funciona com base no princípio de que partículas carregadas em movimento sofrem a ação de forças ao cruzarem um local onde existe campo elétrico e/ou campo magnético. E partindo desse pressuposto quando se existe a necessidade de separar estas partículas que vem se deslocando com velocidades diferentes basta aplicar uma força relacionada com a velocidade das mesmas, do qual esta força irá gerar efeitos em algumas partículas e em outras de velocidade diferente não. Em outras palavras, usa-se uma combinação de campos elétricos e/ou magnéticos posicionados na direção na qual o feixe de partículas incide, de forma com que este campo irá permitir a passagem somente de partículas com uma certa velocidade programada, desviando as demais.

1. EQUACIONAMENTO

Uma partícula carregada que faz seu curso de deslocamento sob a ação de um campo elétrico ou magnético receberá a ação de uma força proporcional a força da sua carga e do campo da qual se encontra de forma que , sendo F a força, q a carga da partícula, v a velocidade da mesma, B a força do campo magnético e E a força de campo elétrico.[pic 5]

Sendo assim, uma partícula qualquer em movimento sob a ação de um campo magnético sentirá uma força na forma de , sendo F a força, q a carga da partícula, v a velocidade da mesma e B a força do campo magnético.[pic 6]

Trazendo para o caso de um seletor de velocidades sabemos que o campo magnético estará sempre a 90° da velocidade, deste modo podemos ter a força como sendo .[pic 7]

Para que possamos ter ambas a forças em uma direção oposta e de igual magnitude podemos levar em consideração , ou seja, qualquer força do campo elétrico e magnético, será possível a passagem apenas de partículas com a velocidade v estipulada.[pic 8]

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Figura 2 – Partícula sob a ação de campos elétrico e magnético

1. APLICAÇÕES

Além das inúmeras aplicações, como a separação de partículas provenientes de reações nucleares, o filtro de Wien pode facilmente funcionar como um espectrômetro de massa, que tem como função básica a separação dos íons de acordo com sua massa ou razão carga-massa, levando em consideração que parte da equação de funcionamento do filtro do seletor de velocidades é dada pela energia da partícula , e lembrando também que esta energia depende diretamente da relação da massa  O que nos possibilita enxergar a relação direta entre separação de partículas por massa e velocidade, porém é melhor explicado em outro tópico deste trabalho, da qual trata detalhadamente do funcionamento do espectrômetro de massa.[pic 10][pic 11]

Seu princípio também pode ser observado no tubo de raios catódicos, que em seu interior faz a separação e condução dos feixes de partículas carregadas que interessam, através do mecanismo feito por placas onde se permite a aplicação de campos, perpendiculares a trajetória da partícula.

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Figura 3 – Tubo de raios catódicos

1. INTRODUÇÃO

Espectrômetros de massa são aparelhos que basicamente são utilizados para efetuar a medição e seleção de massas moleculares, e faz isso através da aceleração, do desvio da trajetória, e do posterior estudo das amostragens de partículas carregas sob o efeito de um campo magnético uniforme. É muito utilizado na indústria química como um analisador quantitativo e qualitativo descrevendo os diferentes átomos presentes em uma substância. Ou seja, trata-se quase do mesmo princípio da qual o seletor de velocidades faz uso, porém neste caso para efetuar a medição da massa molecular.

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Figura 1 – Esquema básico do espectrômetro de massas

1. FUNCIONAMENTO

O funcionamento do espectrômetro de massa parte do princípio da geração de íons inorgânicos ou orgânicos em forma gasosa, a aceleração deles a uma velocidade pré-programada utilizando campos elétricos ou magnéticos, e posteriormente a separação destes íons através da razão massa/carga  para a partir daí detectar a qualidade e quantidade dos diferentes átomos.[pic 14]

Tem como base também o princípio de que partículas com a mesma velocidade ao sofrerem o efeito de um campo magnético (aplicado através de bobinas) irão descrever trajetórias circulares sendo o raio e o tempo demorado nessa trajetória diretamente ligado ao valor da sua massa.

Sendo assim tendo previamente o conhecimento da velocidade com que as partículas estão se locomovendo e das medidas de raio das mesmas, é possível determinar a quantidade relativa e as massas das partículas analisadas através da aplicação de fórmulas em uma amostra colhida com o auxílio de uma película fotográfica ao fim do percurso.

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Figura 2 – Funcionamento interno do espectrômetro de massas

1. EQUACIONAMENTO

Ao entrar na região onde existe o campo magnético  perpendicular à velocidade  as partículas descrevem uma trajetória circular cujo raio pode ser descrito por  .[pic 16][pic 17][pic 18]

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