MOVIMIENTOS DE PARTÍCULAS CARGADAS EN UN CAMPO MAGNÉTICO

 

La acción del campo magnético sobre cargas en movimiento se puede observar usando un tubo de rayos catódicos y un imán. Si el tubo encierra una pantalla fluorescente donde se muestre la trayectoria de los electrones que emite el cátodo, al acercarle un imán se observa la desviación de los rayos electrónicos. Tal como predice la ley de la fuerza de Lorentz, dicha desviación es máxima cuando la velocidad de los electrones es perpendicular al campo magnético del imán, menor al ir disminuyendo el ángulo que forma la velocidad de los electrones con dicho campo magnético, y nula cuando el haz electrónico es paralelo al campo magnético.
 

Como la fuerza magnética es perpendicular a la velocidad, el movimiento de una carga sometida únicamente a un campo magnético uniforme sólo tiene aceleración normal. En consecuencia, la trayectoria seguida por la partícula es circular cuando su velocidad v y el campo magnético B son perpendiculares. En este caso, el módulo de la fuerza que se ejerce sobre la carga es Fm = qvB. Al ser la única fuerza, se cumple la relación:
 

 
 

Por tanto, el radio de la trayectoria circular depende de la masa y de la carga mediante la expresión:
 

 

Para fines prácticos, esta expresión es muy útil al mostrar que aplicando un campo magnético sobre partículas móviles cargadas, se puede conducir su trayectoria (modificando la orientación del campo y su intensidad).
 
 

Se puede practicar este concepto con la animación adjunta, que reproduce el movimiento de una carga en un campo magnético perpendicular al plano de la pantalla.

La animación permite modificar la intensidad del campo magnético, o, invertir su orientación, comprobando el efecto que estas modificaciones tienen sobre el movimiento de la carga. Situando el cursor encima de la partícula también se puede modificar sobre la marcha la velocidad de la partícula.

Clic  aquí para descargar esta animación [Si no lo tienes instala Modellus 2.5 (32 bits) o Modellus 3 (64 bits)]
 
     
 

Un ejemplo en la naturaleza de movimiento de partículas cargadas, cuya trayectoria es afectada por un campo magnético es la aurora polar. Es un fenómeno en forma de brillo o luminiscencia que se observa en el cielo nocturno, casi siempre en zonas polares. En el hemisferio norte se conoce como aurora boreal (el nombre procede de Aurora, diosa romana del amanecer, y de la palabra griega Boreas, que significa norte), y en el hemisferio sur como aurora austral. Se produce cuando una eyección de masa solar, conformada por partículas cargadas, incide cerca de los polos norte y/o sur del campo magnético terrestre. Cuando esas partículas chocan con los átomos y moléculas de oxígeno y nitrógeno, que constituyen los componentes más abundantes del aire, parte de la energía de la colisión excita esos átomos, que cuando se des-excitan, devuelven esa energía en forma de luz visible de varios colores.

  

Vista de una aurora boreal desde el espacio sobre Canadá (Wikipedia)
 

 

En este caso, la velocidad de las partículas cargadas, v, forma un ángulo diferente de 90º con el campo magnético terrestre, B, por lo que se ha de considerar una componente de dicha velocidad perpendicular al campo y otra paralela a él. La trayectoria resultante es helicoidal (composición de una trayectoria circular y un avance lineal), un helicoide que siguen las partículas rodeando las líneas del campo magnético terrestre, tal como se indica en el dibujo adjunto. Es interesante saber, también, que cuando se dan unas condiciones extremas (un campo magnético suficientemente intenso y un flujo imponente de partículas cargadas), los científicos han predicho que una aurora polar puede llegar a ser gigantesca y convertirse en un "huracán espacial", es decir, en un fenómeno similar a un huracán atmosférico, pero que, en lugar conformarse con estructuras ciclónicas formadas por nubes, se conforma a la altura de la ionosfera con grandes remolinos de plasma, procedente del espacio.
 

En nuestro planeta no se había observado nada que pudiese ser considerado un auténtico huracán espacial hasta marzo de 2021, cuando un equipo de científicos, coordinado por Qing-He Zhang de la Universidad de Shandong (China), publicó un trabajo en el que asegura haber detectado, de manera retrospectiva, un gran remolino de plasma sobre el polo norte terrestres.

 

El fenómeno tuvo lugar el 20 de agosto de 2014 y fue observado por cuatro satélites meteorológicos simultáneamente durante ocho horas, hasta que fue despareciendo gradualmente. El gran ciclón de plasma, con su base en la ionosfera, tenía unos 1000 kilómetros de diámetro, estaba centrado cerca del polo norte magnético y presentaba varios brazos espirales. Todo el conjunto rotaba en el sentido contrario al de las agujas de un reloj en torno al centro: el ojo de este peculiar huracán donde se precipitaban corrientes de electrones (jugando un papel equivalente al de la lluvia en los huracanes meteorológicos). Esta lluvia de electrones produjo una aurora boreal gigantesca de forma circular. Los investigadores construyeron un modelo magnetohidrodinámico en tres dimensiones para explicar de manera convincente la formación del huracán a partir de la interacción entre las partículas del viento solar y el campo magnético sobre el polo norte terrestre.

El primer huracán espacial observado en la Tierra Artículo del Dr. D. Rafael Bachiller (13/03/2021)

  

 

Digamos finalmente que, además de la Tierra, otros planetas del Sistema Solar, como Júpiter y Saturno (poseen campos magnéticos más fuertes que la Tierra), también muestran amplios cinturones de radiación. Las auroras han sido observadas en ambos planetas, con el telescopio Hubble.