6 Pohyb částic v magnetickém poli



Podobné dokumenty
BIOMECHANIKA KINEMATIKA

3.1 Magnetické pole ve vakuu a v látkovén prostředí

Elektřina a magnetismus úlohy na porozumění

FYZIKA I. Rovnoměrný, rovnoměrně zrychlený a nerovnoměrně zrychlený rotační pohyb

1. Dva dlouhé přímé rovnoběžné vodiče vzdálené od sebe 0,75 cm leží kolmo k rovine obrázku 1. Vodičem 1 protéká proud o velikosti 6,5A směrem od nás.

4. Statika základní pojmy a základy rovnováhy sil

Vektorový součin I

ŠROUBOVICE. 1) Šroubový pohyb. 2) Základní pojmy a konstrukce

Šroubový pohyb rovnoměrný pohyb složený z posunutí a rotace. Šroubovice dráha hmotného bodu při šroubovém pohybu

Mechanika - kinematika

Počty testových úloh

Rovinná a prostorová napjatost

X = A + tu. Obr x = a 1 + tu 1 y = a 2 + tu 2, t R, y = kx + q, k, q R (6.1)

Seriál II.II Vektory. Výfučtení: Vektory

Parametrická rovnice přímky v rovině

Skládání různoběžných kmitů. Skládání kolmých kmitů. 1) harmonické kmity stejné frekvence :

KINEMATIKA HMOTNÉHO BODU. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Mechanika - 1. ročník

V elektrostatickém poli jsme se zabývali vznikem a vlastnostmi pole v blízkosti nábojů. Elektrické pole jsme popisovali vektorem E.

1 Tuhé těleso a jeho pohyb

2. Kinematika bodu a tělesa

Přímková a rovinná soustava sil

Kapitola 2. o a paprsek sil lze ztotožnit s osou x (obr.2.1). sil a velikost rovnou algebraickému součtu sil podle vztahu R = F i, (2.

Gyrační poloměr jako invariant relativistického pohybu. 2 Nerovnoměrný pohyb po kružnici v R 2

Hlavní body - elektromagnetismus

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ PRŮVODCE GB01-P03 MECHANIKA TUHÝCH TĚLES

ELEKTŘINA A MAGNETIZMUS Řešené úlohy a postupy: Magnetická síla a moment sil

F n = F 1 n 1 + F 2 n 2 + F 3 n 3.

* Modelování (zjednodušení a popis) tvaru konstrukce. pruty

R2.213 Tíhová síla působící na tělesa je mnohem větší než gravitační síla vzájemného přitahování těles.

Mechanika tuhého tělesa

FYZIKA II. Petr Praus 7. Přednáška stacionární magnetické pole náboj v magnetickém poli

Hledané složky vektoru tvoří odvěsny pravoúhlého trojúhelníku:

ELEKTROMAGNETICKÉ POLE

KLASICKÁ MECHANIKA. Předmětem mechaniky matematický popis mechanického pohybu v prostoru a v čase a jeho příčiny.

S p e c i f i c k ý n á b o j e l e k t r o n u. Z hlediska mechanických účinků je magnetická síla vlastně silou dostředivou.

Dynamika. Dynamis = řecké slovo síla

KRUHOVÁ ŠROUBOVICE A JEJÍ VLASTNOSTI

Fyzika 1 - rámcové příklady Kinematika a dynamika hmotného bodu, gravitační pole

Příklady k analytické geometrii kružnice a vzájemná poloha kružnice a přímky

7.1.2 Kartézské soustavy souřadnic II

VZOROVÝ TEST PRO 3. ROČNÍK (3. A, 5. C)

6.2.1 Zobrazení komplexních čísel v Gaussově rovině

MECHANIKA TUHÉHO TĚLESA

5 Stacionární magnetické pole HRW 28, 29(29, 30)

Matematika I, část I. Rovnici (1) nazýváme vektorovou rovnicí roviny ABC. Rovina ABC prochází bodem A a říkáme, že má zaměření u, v. X=A+r.u+s.

Cvičení F2070 Elektřina a magnetismus

BIOMECHANIKA DYNAMIKA NEWTONOVY POHYBOVÉ ZÁKONY, VNITŘNÍ A VNĚJŠÍ SÍLY ČASOVÝ A DRÁHOVÝ ÚČINEK SÍLY

Obsah. 2 Moment síly Dvojice sil Rozklad sil 4. 6 Rovnováha 5. 7 Kinetická energie tuhého tělesa 6. 8 Jednoduché stroje 8

STACIONÁRNÍ MAGNETICKÉ POLE. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Elektřina a magnetismus - 3. ročník

Nejprve si připomeňme z geometrie pojem orientovaného úhlu a jeho velikosti.

y Obrázek 1.26: Průměrová rovina válcové plochy

Rovinná napjatost a Mohrova kružnice

Fyzika 2 - rámcové příklady Magnetické pole - síla na vodič, moment na smyčku

Shodná zobrazení v rovině

1 4( 1) Co je řešením rovnice 2y 1 = 3? Co je řešením, pokud přidáme rovnici x + y = 3? Napište

7.1.2 Kartézské soustavy souřadnic II

3.6. Magnetické pole a jeho vlastnosti

= cos sin = sin + cos = 1, = 6 = 9. 6 sin 9. = 1 cos 9. = 1 sin cos 9 = 1 0, ( 0, ) = 1 ( 0, ) + 6 0,

6.1 Shrnutí základních poznatků

ANALYTICKÁ GEOMETRIE LINEÁRNÍCH ÚTVARŮ V ROVINĚ

ELEKTŘINA A MAGNETIZMUS kontrolní otázky a odpovědi

5. Statika poloha střediska sil

TUHÉ TĚLESO. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Mechanika - 1. ročník

ELEKTŘINA A MAGNETIZMUS Řešené úlohy a postupy: Posuvný proud a Poyntingův vektor

3.4.2 Rovnováha Rovnováha u centrální rovinné silové soustavy nastává v případě, že výsledná síla nahrazující soustavu je rovna nule. Tedy. Obr.17.

III Určování hodnot funkcí sinus a cosinus

Úhly a jejich vlastnosti

Kapitola 4. Tato kapitole se zabývá analýzou vnitřních sil na rovinných nosnících. Nejprve je provedena. Každý prut v rovině má 3 volnosti (kap.1).

1 Analytická geometrie

1. výpočet reakcí R x, R az a R bz - dle kapitoly 3, q = q cosα (5.1) kolmých (P ). iz = P iz sinα (5.2) iz = P iz cosα (5.3) ix = P ix cosα (5.

14. přednáška. Přímka

ÚVOD DO DYNAMIKY HMOTNÉHO BODU

3.1. Newtonovy zákony jsou základní zákony klasické (Newtonovy) mechaniky

Odvození středové rovnice kružnice se středem S [m; n] a o poloměru r. Bod X ležící na kružnici má souřadnice [x; y].

KINEMATIKA. 17. ROVNOMĚRNÝ POHYB PO KRUŽNICI II. Frekvence, perioda. Mgr. Jana Oslancová VY_32_INOVACE_F1r0217

Určete a graficky znázorněte definiční obor funkce

ANALYTICKÁ GEOMETRIE V ROVINĚ

Pohyb tělesa (5. část)

Vybrané kapitoly z matematiky

Fyzikální vzdělávání. 1. ročník. Učební obor: Kuchař číšník Kadeřník. Implementace ICT do výuky č. CZ.1.07/1.1.02/ GG OP VK

Veličiny charakterizující geometrii ploch

Skalární a vektorový popis silového pole

Příklady: 31. Elektromagnetická indukce

VZÁJEMNÉ SILOVÉ PŮSOBENÍ VODIČŮ S PROUDEM A MAGNETICKÉ POLE

5. Mechanika tuhého tělesa

Analytická geometrie lineárních útvarů

Shrnutí kinematiky. STŘEDNÍ ODBORNÁ ŠKOLA a STŘEDNÍ ODBORNÉ UČILIŠTĚ, Česká Lípa, 28. října 2707, příspěvková organizace

I N V E S T I C E D O R O Z V O J E V Z D Ě L Á V Á N Í

Vektory II. Předpoklady: Umíme už vektory sčítat, teď zkusíme opačnou operací rozklad vektoru na složky.

Magnetická indukce příklady k procvičení

Momenty setrvačnosti a deviační momenty

Teoretické úlohy celostátního kola 53. ročníku FO

7.5.3 Hledání kružnic II

Mechanika II.A Třetí domácí úkol

Pohyby tuhého tělesa Moment síly vzhledem k ose otáčení Skládání a rozkládání sil Dvojice sil, Těžiště, Rovnovážné polohy tělesa

Vektory aneb když jedno číslo nestačí

Tento výukový materiál byl vytvořen v rámci projektu MatemaTech Matematickou cestou k technice

Jednotky zrychlení odvodíme z výše uvedeného vztahu tak, že dosadíme za jednotlivé veličiny.

Rovnice rovnováhy: ++ =0 x : =0 y : =0 =0,83

Přijímací zkouška na MFF UK v Praze

Transkript:

Pohb částic v magnetickém poli V této části si ukážeme, jak homogenní magnetické pole ovlivňuje pohb částic. Soustavu souřadnic volíme vžd tak, ab vektor magnetickéindukce Bsměřovalposměruos (obr.).. Lorentova síla Na letící částici magnetickým polem působí Lorentova síla, která je dána vtahem(křížek načí vektorový součin) obr. : Magn. pole F= q( B), () qjenábojčástice, jevektorjejírchlostia Bjevektormagnetickéindukce(vjadřuje směr pole i velikost). Výsledkem vektorového součinu je vektor, který je kolmý na oba dva vstupující vektor a tvoří s nimi pravotočivou soustavu souřadnic. Velikost výsledku je dána délkami vstupujících vektorů a úhlem, který svírají. Pro velikost Lorentov síl rovnosti() pak platí F = q vbsin α, (3) αjeúhelmeivektor a B.Velikostvektorunemůžebýtáporná,ataknáboje q použijeme jeho absolutní hodnotu.. Neutrální částice Nejprve se podíváme na případ, kd vlétne do magnetického pole neutrální částice. Pro q=0,jepravástranarovnice(3)nulováatedisílapůsobícínačásticije nulová. V takovém případě magnetické pole částici nijak neovlivňuje, částice letí tak, jak b letěla, kdb tam žádné magnetické pole neblo(rovnoměrně přímočaře, pokud na částici nepůsobí ještě nějaká jiná síla)..3 Nabitá částice: pohb rovnoběžný s magnetickým polem Pohbuje-li se naším magnetickým polem nabitá částice rovnoběžněsosou,úhel,kterýsvírávektorrchlosti svektorem magnetickéindukce B,jebuďrovennule(naobrákueleně) nebo π(fialově).proobaúhljesinusnulový,atakvelikostsíl působícínačástici((3) F =qvbsin α)jeneávislenanáboji či velikosti rchlosti rovna nule. Pohb nabité částice, která letí rovnoběžně s magnetickým polem, není polem vůbec ovlivňován. π obr.: B 0 3

. Nabitá částice: pohb kolmý na magnetické pole Nnísepodívámenapřípad,kdsenabitáčásticepohbujevrovině (její - ová složka rchlosti je nulová). Na obráku 7 letí kladně nabitá částice ve směru os (doprava). Pomocí pravé ruk nebo ciferníku určíme směrvektoru,kterýjevýsledkemvektorovéhosoučinu B F (vektor, Bavýslednýjsoupravotočivé).Výsledeksměřujeknámpodélos.Povnásobeníkladnýmnábojem F + q, vektor mění poue svoji délku. Lorentova síla na kladný náboj F + danávtahem() F + = q( B)směřujevesměru os. Magnetické pole bude kladně nabitou částici obráku obr.7:sílananabitou 7 táhnout šikmoknámpodélos. částicis B Poletí-li stejnou cestou elektron, vektorový součin v B se nemění, ovšem vnásobení áporným nábojem působí, želorentovasíla F působícínaelektronbudesměřovatprotiose. Kladný náboj Situace na a odpovídá případu, který jsme právě roebrali. Kladně nabitá částice letí po směru os. Lorentova síla směřující k nám působí akřivení trajektorie částice.částicesedostanedopoloh,kdenanílorentovasílabudepůsobittak, jak ukauje obráek. Přesvěčte se pomocí pravé ruk. Síla trajektorii i de akřivuje 7 a) b) F 3 7 F 3 obr. : Kladně nabitá částice letící kolmo na směr homogenního magnetického pole apůsobí,žeachvilkusečásticebudenacháetvpoloe3,kdepoletívesměru os.těmitoúvahamibchomdospěliaždopolohosmanídotépočáteční. Zkustesi,žeLorentovasílamánaavevšechpoloháchsprávnýsměr.

Kladně nabitá částice(jejíž složka rchlosti do směru magnetické indukce je nulová) se v homogenním magnetickém poli pohbuje po kružnici, která leží v rovině kolménaosu.budeme-lisedívatposměru B(naobrákualežímepodrovinou a díváme se nahoru), částice bude rotovat proti směru hodinových ručiček, obr. b. Záporný náboj Na obráku 7 jsme si ukáali, jaký směr má Lorentova síla působící na áporně nabitoučásticiletícíposměruos situaceodpovídápoloenaobráku9a.síla stočítrajektoriiačásticesedostanedopolohna9a.ivtomtomístěječástice a) b) 7 3 7 F F 3 obr. 9: Záporně nabitá částice letící kolmo na směr homogenního magnetického pole pod vlivem Lorentov síl a trajektorie se opět stočí... Částice proletí všemi osmi polohami na 9a, až se dostane do té první. Její trajektorií bude kružnice. Na rodíl od kladně nabité částice rotuje v opačném směru. Záporně nabitá částice(jejíž složka rchlosti do směru magnetické indukce je nulová) se v homogenním magnetickém poli pohbuje po kružnici, která leží v roviněkolménaosu.díváme-liseposměru B(naobráku9aležímenaádech pod rovinou ), částice rotuje po směru hodinových ručiček, obr. 9b. Shrnutí Představte si, že jste iont a letíte si vodorovně, rovnoměrně přímočaře. Najednou se dostanete do homogenního magnetického pole, které směřuje dola nahoru. Pole působí, že se váš let mění. Sice poletíte stále stejně rchle, ale budete kroužit po kružnici pořád dokola. Jste-li kladní, budete se otáčet a pravou rukou, jste-li áporní, pak a levou.

. Poloměr kruhové trajektorie Nejprve si uvedeme příklad mechanik. V ruce držíte prováek a jeden konec a na jeho druhém konci je naváaná plechovka. Plechovku rotočítetak,žesepohbujepokružnici,obr.0.jedinásíla,která na plechovku působí je síla prováku. Tato síla musí být rovna F d dostředivé síle rovnoměrného pohbu po kružnici. Vrátíme se pět do magnetického pole, kde provákové síle odpovídá Lorentova síla stále směřuje do středu kružnice, po které částice obíhá. Vorec pro výpočet dostředivé síl je v případě plechovk i malinkaté částice stejný. Její velikost je obr. 0: Plechovka dána F d = mv R, () kde mjehmotnostčástice(plechovk), vjevelikostjejírchlostiarjepoloměr kružnice, po které částice obíhá(délka prováku). Dostředivá síla v magnetickém poli na náboji nijak neávisí. Velikost Lorentov síl je F = q vb sinα. Předpokládáme-li, že se částice pohbuje v rovině kolmé na osu (uvnitř ní libovolným směrem), pak úhel mei vektor a Bjevžd90.Vtakovémpřípadějesin α=atedplatí F= q vb. () Velikosti dostředivé a Lorentov síl musí být stejně velké, v opačném případě b se částice nepohbovala po kružnici. Vtah() a() dáme do rovnosti a vjádříme sipoloměr R mv mv = q vb = R= R q B, () tn. čím těžší částice, tím větší poloměr kružnice; magnetické pole snadněji mění trajektorii lehké částice než těžké. Čím rchlejší, tím také větší poloměr. S lehkými a pomalými částicemi magnetické pole víc atočí. A také: Roste-li náboj(v absolutní hodnotě, více kladný nebo více áporný), poloměr kružnice klesá, magnetické pole velké náboje více ovlivňuje. A nakonec čímjepolesilnější(rostevelikost B),tímjepoloměrmenší.Hodněnabitéčástice vsilnémpolisevícatáčínežméněnabitéveslabémpoli.

. Cklotronová frekvence Zbývá nám určit úhlovou rchlost kroužících částic v magnetickém poli. Ještě jednou se vrátíme do mechanik k rovnoměrnému pohbu po kružnici. Pro délku oblouku (uběhnutou dráhu na obráku ) platí s s=ϕr, (7) ϕ R obr. : Oblouk kde ϕměřímevradiánech!úheljedenradiánjevelkýtak,že délka oblouku je stejně dlouhá jako poloměr kružnice, obr.. Dráhu snahradíme s=vtaúhel ϕ=ωt(toužjsmepoužili vkapitole.).vtah(7)přejdevetvar vt=ωtr = v=ωr. () Odvodili jsme vtah mei velikostí rchlosti a úhlovou rchlostí při rovnoměrném pohbu po kružnici. Do vtahu() pro poloměr dosadíme a velikost rchlosti v (). Vjádříme úhlovou rchlost(poloměr se krátí) R= m(ωr) qb = ω= qb m. (9) Vtah(9) je latým hřebem celé části o magnetickém poli. Větší náboje se pohbují světší ωatudížsvššífrekvencí ajednusekundustihnouvíceotáček.silnější magnetické pole také všuje úhlovou rchlost(i frekvenci). A čím těžší částice, tím menší úhlová rchlost(tím jí déle trvá oběhnout jedno kolo). rad R s = R rad = 7 obr. : Definice radiánu Ze vtahu(9) také plne, že úhlová rchlost(ted ani frekvence a perioda) neávisí na rchlosti částice. Pošleme-li jeden rchlý a jeden pomalý elektron do homogenního magnetického pole kolmo na směr siločar, oba se ačnou pohbovat po kružnicích. Velikost rchlosti každého nich se nemění, rchlý bude obíhat po velké kružnici a pomalý po malé. Jejich úhlové rchlosti i frekvence budou stejné, a tak oba stihnou stejný počet oběhů a jednu sekundu. Částicishmotností manábojem q,kterásepohbujevmagnetickém poli o velikosti B, je vtahem(9) jednonačně dána její cklotronová frekvence. Cklotronováfrekvenceelektronu: ω c = e B m e Cklotronováfrekvenceiontu: ω ci = qb m i (m e načíhmotnostelektronu) (m i načíhmotnostiontu).7 Nabitá částice: pohb libovolným směrem Doposud jsme řešili speciální pohb částic(rovnoběžný nebo kolmý na vektor magnetické indukce). V této části si vsvětlíme, jak se bude chovat nabitá částice, která vletí do homogenního magnetického pole libovolného směru. 7

Mějmemagneticképolejakovpředchoíchpřípadech B =(0,0, B),obr.. Vektor rchlosti částice v momentě vlétnutí do magnetického pole má obecný tvar v = (v, v, v ). Z předchoího už víme: Pohbuje-li se nabitá částice v rovině kolmé na směr magnetického pole (nenulové v nebo v ), pole působí otáčivý pohb kolmo na. A také, že pohb rovnoběžný s osou (nenulová v ) není a) b) c) d) obr. 3: Pohb nabitých částic v magnetickém poli; na šroubovice se díváme mírně shora magnetickým polem ovlivněn. Spojením krouživého pohbu s rovnoměrným posunem dostaneme pohb po šroubovici, obr. 3. Představte si, že jdete stále stejně rchle po pravotočivých schodech 7 nahoru do hradní věže.osuvěžemátepopravé ruce a okénka po levé. Přidržujete se pravou rukou ábradlí. Vášpohbjestejnýjakopohb kladně nabité částice v homogenní magnetickém poli(jdete po levotočivé šroubovici vhledemosevěže,obr.3a).vašepravárukapředstavujelorentovusílu,je vodorovně a směřuje stále k ose věže. Poběžíte-li po stejných schodech dolů, budete se sice ábradlí přidržovat levou rukou, váš náboj se ale nemění. Představujete stále kladně nabitou částici, která letí po levotočivé šroubovici vhledem k ose věže, obr. 3c.. Prostředí tvořené magnetickým polem Magnetické pole vtváří aniotropní prostředí vhledem k pohbu nabitých částic. Trajektorie pohbu obecně áleží na směru, jakým částice do pole vletí. Prostředí je navíc válcově smetrické. Neáleží, da částice s daným nábojem a danourchlostívletídopolepodélos,podél nebojakkolišikmovrovině. Pokaždé je její trajektorií kružnice o stejném poloměru ležící v rovině. Všechn směr v rovině kolmé na výnačnou osu jsou navájem ekvivalentní. 7 Přidobýváníhradusenapravotočivýchschodechpravorukémuobráncismečemshorabrání lépe než se dola útočí pravorukému útočníkovi. Ten musí útočit a roh. Návschodišťašroubovicjsouopačné.