Laboratorio N°4 Fisica 3

 

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Geológica, Minera y Metalúrgica

Laboratorio de Física III

ESPECTRÓMETRO DE MASAS

Valdez Servan, Sandro Michel Sánchez Huaraca, Jamill Raúl

Ing. Aquiles Arauco Benavides 07 de enero del 2020 Lima  

 

Copyright © 2020 por Valdez Servan, Sandro & Sánchez Huaraca, Jamill, prohibida su reproducción total o parcial sin los derechos reservados.

 

 

 

AGRADECIMIENTO

 Agradezco a mis familiares ya que gracias a su apoyo logre llegar a esta casa de estudios en la cual me desarrollaré como un profesional, para poder en un  futuro poder servir al país con todos los conocimientos aprendidos, también deseo expresar mi agradecimiento al docente de este informe universitario,  M.Sc.Ing. Aquiles Arauco Benavides, por la dedic dedicación ación y apoy apoyo o que ha br brindado indado a este trabajo, por el respeto a mis sugerencias e ideas y por la dirección y el rigor que ha facilitado a las mismas. Gracias por la confianza ofrecida desde

 

que llegué a esta facultad.

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ABSTRACT

interactive physics  In the interactive physics course course we will will carry out some experiments that we can  find on this platform Since due to SARS-COV. SARS-COV.19 19 these cannot be carried out in our laboratory in person, once the experiments have been carried out, we will collect data. What we will analyze and proceed to perform the respective calculation and thus be able to verify the laws of applied physics in this re

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ÍNDICE INTRODUCCIÓN.................................. ................................................... .................................. .................................. .......................... ......... 6  OBJETIVOS ................. .................................. .................................. ................................... ................................... .................................. .................7  MARCO TEÓRICO ................................. .................................................. .................................. .................................. ....................... ...... 8  EQUIPO ................................. .................................................. .................................. .................................. ................................... .......................... ........ 8  PROCEDIMIENTO.................................. ................................................... .................................. .................................. ..................... .... 10  CÁLCULOS Y RESULTADOS............... ................................ .................................. .................................. ..................... .... 11  CUESTIONARIO................................... .................................................... .................................. .................................. ........................ ....... 11  CONCLUSIONES .................................. ................................................... .................................. .................................. ........................ ....... 14  REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................... ...................................... .................................. ..................... .... 17 

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INTRODUCCIÓN La Espectrometría de Masas es una poderosa técnica microanalítica usada para identificar compuestos desconocidos, para cuantificar compuestos conocidos, y  para elucidar la estructura estructura y pr propiedades opiedades quím químicas icas de moléculas. moléculas. La detección de compuestos puede ser llevada a cabo con cantidades realmente pequeñas (algunos pmoles) de muestra y obtener información característica como el peso y algunas veces la estructur estructuraa del analito. En todos los casos, alguna forma de energía es transferida a las moléculas a analizar para afectar la ionización. En la técnica clásica de impacto electrónico (electron ionization EI), algunas de las moléculas ionizadas del analito

“explotan” en una variedad de fragmentos ionizados, el patrón de fragmentación resultante así como los iones residuales constituyen constituyen el espectro de masas. En principio, el espectro de masas de cada compuesto es único y puede ser usado como se “huella química”  para caracterizar el el analito. 

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OBJETIVOS 1. 

Objetivos generales 

2.

  Desarrolla espectrómetro de masa electromagné electromagnética. tica.

Objetivos específicos: 



  Conoce, entiende y explica un espectrómetro de masas que funciona con campos eléctrico y magnético.   Utiliza la expresión de la fuerza de Lorentz para relacionar campos eléctrico y magnético en el movimien movimiento to de partículas cargadas.

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MARCO TEÓRICO Veamos el comportamiento dinámico de una partícula cuando donde hay dos campos: eléctrico E y campo magnético B, a la vez. Si la partícula tiene carga q actuará fuerza eléctrica qE y si además tiene velocidad v actúa fuerza magnética qvxB, aplicando el P de S la fuerza resultante se llama Fuerza de Lorentz: F=qE+qvxB . . . (1)  Sea una región con campos eléctrico E y magnético B, perpendiculares entre sí. Si en esta región lanzamos una partícula de masa m y carga q con una velocidad v perpendicular perpendicular a los campos E y B, es decir: v E B , como se muestra en la figura, ocurrirán las posibles trayectorias, trayectorias, según el valor de la velocidad :  

En el caso que la trayectoria se rectilínea se demuestra que esto ocurre cuando:  v= E/B . . . (2)  Este es el principio o fundamento del SELECTOR DE VELOCIDADE VELOCIDADES, S, tal que si la velocidad de la partícula se igual a E/B, se dirá que la partícula ha sido

“SELECCIONADA”.  Una vez elegida una cierta velocidad seleccionada, hagamos que ingrese a otra región donde hay un campo magnético constante. Si la velocidad es  perpendicular a este campo v B (peso despreciable) la trayectoria es un MCU y su radio es:  R =mv/qB .. . (3)  8|Página 

 

 

EQUIPO Ordenador con el software CircuitMaker 2000 CircuitMaker 2000 es una suite de exploración ex ploración de diseño que contiene todas las herramientas necesarias para la creación y la simulación rápidas y fáciles de diseños electrónicos dentro de un solo producto. CircuitMaker incluye todas las características c aracterísticas avanzadas necesarias para mover su laboratorio electrónico virtual al campo profesional, permitiéndole una rápida y fácil captura, modelar y hacer prototipos de sus diseños con la integración de entrada esquemática, simulación de mezcla de señal y diseño PCB, edición y auto ruteo.

CircuitMaker es ideal para los diseñadores que estén buscando probar nuevos conceptos en un ambiente de mundo real y generar rápidamente tarjetas prototipo. Usando la capacidad incorporada de la simulación de CircuitMaker, uno ahorra tiempo y dinero probando la operación de circuitos digitales antes de ser construidos. Esta característica también da a nosotros como estudiantes el entrenamiento necesario y nos ayuda a aprender cómo los circuitos digitales funcionan sin tener que comprar los componentes y el equipo necesitado ne cesitado generalmente para la realización de un circuito.

 

CircuitMakerr software.   Figura 1. CircuitMake

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PROCEDIMIENTO Vamos a medir la masa de partículas cargadas escogiendo para ciertas velocidades de estas que serán seleccionadas. Cargue el Physlet Physics”, con:   https://www.compadre.org/Physlets/electr https://www.compadre.org/P hyslets/electromagnetism omagnetism/ex27_3.cfm /ex27_3.cfm 

 Figura 2. CircuitMake CircuitMakerr software en en aplicación. 

10 | P á g i n a  

 

 

CÁLCULOS Y RESULTADOS 4.1 Escoja un conjunto de valores para la masa m, carga q de la partícula, campo E, campo B, y velocidad v; es decir (m (m,, q, E, B, v y m); de tal manera que al

play” la partícula en región (M) correr la animación con “Register “Register values and play” vaya en línea recta, ingrese a la región (N) y en su camino curvo regrese y colisione con la pared vertical (M) yde (N), llame en d alalapared distancia entre el punto de ingreso a la regiónfrontera (M) y eldepunto colisión frontera. Llene la siguiente tabla: 

Tabla…  Q  M  E  B  V  d  -1x10   0.3 kg  80 N/C  1.6 T  50 m/s  18.7 m  -3

. 

4.2  A partir de los datos de 1.1, aumente la velocidad de la partícula, ¿Qué ocurre?, disminuya la velocidad de la partícula, ¿Qué ocurre? Explique todo.  cuando se aumenta la velocidad la partícula dejara de ir en línea recta llegando a colisionar antes de llegar a la región M  al disminuir la velocidad la partícula sigue otra trayectoria y también llega a colisionar antes de llegar a la región M 

4.3 A partir de los datos de 1.1, elija otro valor para la carga de tal manera que la  partícula dentro de la región (N) vu vuelva elva a colisionar con la pared fron frontera. tera. Llene la siguiente tabla:

Tabla…  Q  M  E  B  V  d  -0.8x10   0.3 kg  100 N/C  2 T  50 m/s  18.7  -3

.  En la tabla 2, ¿Qué parámetro (s) ha(n) cambiado? Intérprete.  los valores que cambian son el campo eléctrico (E) y campo magnético (B) para que la partícula colisione con la región N 

4.4  A partir de los datos de 1.1, cambie el valor de E, corra la animación y explique lo que ve. ¿Qué otro parámetro debe cambiar para que la partícula entre a la región (N)? Explique.  11 | P á g i n a  

 

 

Al cambiar el valor de la carga para que la partícula vuelva a ingresar a la región  N se tiene que variar el valor del cam campo po m magnético agnético y campo eléctr eléctrico, ico, si se quiere que la partícula siga la misma trayectoria recta se debe cumplir V=E/B para que la partícula no colisione antes de llegar a la región

4.5  A partir de los datos de

, cam cambie bie el valor de B, corra la anim animación ación y explique lo que ve. ¿Qué otro parámetro debe cambiar para que la partícula entre a la región (N)? Explique.  Si se llega a cambiar el valor del campo magnético la trayectoria de la partícula en la región M dejaría de ser recta antes de entrar a la región,para que esto no ocurra se necesita cambiar el valor del campo eléctrico y la velocidad para que llegue a cumplirse el selector de velocidades

4.6 Se desea m medir edir las masas de partículas idénticas en carga q= -1x10

-3

y con la misma velocidad v= 50 m/s , diseñe un conjunto de valores que permita detectar masas de

0.1; 0.2; …; 1.0 g; respectivamente midiendo la distancia d.    para medir la distancia distancia se usa la ssgt gt formula d = 2R = 2mV 2mV/qB /qB   para m=0.1 g se obtiene d= 2(0.1 2(0.1x10-3)(50)/( x10-3)(50)/(1x10-3)(1.6) 1x10-3)(1.6) d= 6.25   para m=0.2 g se obtiene d= 2(0.2 2(0.2x10-3)(50)/( x10-3)(50)/(1x10-3)(1.6) 1x10-3)(1.6) d= 12.5   para m=0.3 g se obtiene d= 2(0.3 2(0.3x10-3)(50)/( x10-3)(50)/(1x10-3)(1.6) 1x10-3)(1.6) d= 18.75   para 2(0.4x10-3)(50)/( x10-3)(50)/(1x10-3)(1.6) 1x10-3)(1.6)  para m=0.4 m=0.5 g g se se obtiene obtiene d= d= 2(0.4 2(0.5 2(0.5x10-3)(50)/( x10-3)(50)/(1x10-3)(1.6) 1x10-3)(1.6)  para m=0.6 g se obtiene d= 2(0.6 2(0.6x10-3)(50)/( x10-3)(50)/(1x10-3)(1.6) 1x10-3)(1.6)  para m=0.7 g se obtiene d= 2(0.7 2(0.7x10-3)(50)/( x10-3)(50)/(1x10-3)(1.6) 1x10-3)(1.6)  para m=0.8 g se obtiene d= 2(0.8 2(0.8x10-3)(50)/( x10-3)(50)/(1x10-3)(1.6) 1x10-3)(1.6)  para m=0.9 g se obtiene d= 2(0.9x 2(0.9x10-3)(50)/( 10-3)(50)/(1x10-3)(1.6) 1x10-3)(1.6)  para m=1 g se obtiene obtiene d= 2(1x10-3)(50)/(1x1 2(1x10-3)(50)/(1x10-3)(1.6) 0-3)(1.6)

q -1x10

-3

  d= d= 25 31.25   d= 37.5  d= 43.75  d= 50  d= 56.25  d= 62.5 

m 

E 

B 

V 

d 

0.1 

80 N/C 

1.6 T 

50 m/s 

6.25  12 | P á g i n a  

 

  -1x10  

0.2 

80 N/C 

1.6 T 

50 m/s 

12.5 

-1x10  

0.3 

80 N/C 

1.6 T 

50 m/s 

18.75 

-1x10  

0.4 

80 N/C 

1.6 T 

50 m/s 

25 

-1x10   -1x10  

0.5  0.6 

80 N/C  80 N/C 

1.6 T  1.6 T 

50 m/s  50 m/s 

31.25  37.5 

-1x10  

0.7 

80 N/C 

1.6 T 

50 m/s 

43.75 

-1x10  

0.8 

80 N/C 

1.6 T 

50 m/s 

50 

-1x10  

0.9 

80 N/C 

1.6 T 

50 m/s 

56.25 

-1x10  

1 

80 N/C 

1.6 T 

50 m/s 

62.5 

-3

-3

-3

-3

-3

-3

-3

-3

-3

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CUESTIONARIO

2.

¿Por qué se llama Selector de velocidades?, explique.  

se llama así ya que es la región donde actúa un campo magnético y eléctrico ya que ambos son perpendiculares entre sí contrarrestan sus fuerzas por ende s¿la velocidad resulta así :  V=E/B  3.

¿Por qué en la región se usan los dos campos E y B a la vez? ¿por qué no usar uno solo campo?, por ejemplo, solo E; o solo B?  

Se tiene que usar los dos ya que así contrarrestan sus fuerzas entre sí Fuerza eléctrica: Fe= qE  Fuerza magnética: Fm= qvB  cuando se igualan ambas fórmulas se llega a la velocidad que hace que la partícula sigue una línea recta

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  4.

¿Por qué se llama Selector de velocidades?, explique.  

se llama así ya que es la región donde actúa un campo magnético y eléctrico ya que ambos son perpendiculares entre sí contrarrestan sus fuerzas por ende s¿la velocidad resulta así :  V=E/B  5.

¿Por qué en la región se usan los dos campos E y B a la vez? ¿por qué no usar uno solo campo?, por ejemplo, solo E; o solo B? 

Se tiene que usar los dos ya que así contrarrestan sus fuerzas entre sí Fuerza eléctrica: Fe= qE  Fuerza magnética: Fm= qvB  cuando se igualan ambas la partícula sigue una líneafórmulas recta se llega a la velocidad que hace que

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CONCLUSIONES   Concluimos de manera general que se cumplen las ecuaciones propuestas en el marco te ́orico las cuales, gracias al software Qucs que simula este tipo de fen ́omenos el ́ectricos, evidencian el comportamiento de carga y descarga del condensador.   Se concluye que para el buen uso del espectrometro de masas, la particula debe ingesar con una velocidad que equivalga a la raz  ́on geom ́etrica del campo el ́ectrico y el campo magn ́etico. De no ser as ́ı, la particula proba blemente tendr  ́a un movimiento curvilineo (se puede ver en la figura 19.b)

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  La capacidad de los condensadores depende no solo de los materiales “dieléctricos” que usan los diferentes fabricantes, sino también de la distancia que tienen las placas de separación. El flujo de protones y electrones dentro del capacitor dependen de la distancia que los separa, pues dicha distancia facilita o impide el mas rápido traspaso de contaminante a las placas.   Si hablamos en incorporar condensadores en circuitos básicos, obtenemos que los condensadores conectados en serie se comportan como resistores en paralelo; y cuando se conectan en paralelo se comportan como resistores en serie. Por lo tanto, la capacidad de los capacitores es inversamente proporcional a la tensión aplicada.   Para capacitores en paralelo el voltaje es igual y para capacitores en serie eell voltaje equivalente es la suma de los voltajes de cada capacitor.   La mayoría de los capacitores tiene un material no conductor al cual llamamos dieléctrico.   Al conectar los capacitores hay que tomar en cuenta la polarización ya que si no se hace así los resultados que se esperan no se obtendrán.   Los capacitores almacenan energía, cuando se conecta una fuente se van cargando hasta llegar a un punto de equilibrio.

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 

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  Young, Hugh d. y Freedman, Roger a., Física universitaria con física moderna, “corrientes R -C”, volumen 2, 13 ª edición (864-867), (864-867), Pearson: México, 2013   Medina H. Física 3,”Corrientes continua”, Lima-Per  ́u

  http://www2.m http://www2.montes.upm.es/d ontes.upm.es/dptos/digfa/cf ptos/digfa/cfisica/magnet/es isica/magnet/espectrometro.ht pectrometro.ht

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