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



Podobné dokumenty
ELEKTŘINA A MAGNETIZMUS Řešené úlohy a postupy: Faradayův zákon

ELEKTŘINA A MAGNETIZMUS kontrolní otázky a odpovědi

ÚLOHY Z ELEKTŘINY A MAGNETIZMU SADA 7

Theory Česky (Czech Republic)

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

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

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

MECHANIKA TUHÉHO TĚLESA

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.

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

ELEKTŘINA A MAGNETIZMUS Řešené úlohy a postupy: Gaussův zákon

1 Tuhé těleso a jeho pohyb

ELEKTŘINA A MAGNETIZMUS

Příklady z teoretické mechaniky pro domácí počítání

ELEKTŘINA A MAGNETIZMUS kontrolní otázky a odpovědi

Hmotnostní spektrometrie

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

Příklad 5.3. v 1. u 1 u 2. v 2

ELEKTROMAGNETICKÉ POLE

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

3.1 Magnetické pole ve vakuu a v látkovén prostředí

ELEKTŘINA A MAGNETIZMUS Řešené úlohy a postupy: Ampérův zákon

ELEKTŘINA A MAGNETIZMUS kontrolní otázky a odpovědi

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.

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

Elektřina a magnetismus úlohy na porozumění

Magnetická indukce příklady k procvičení

Stacionární magnetické pole. Kolem trvalého magnetu existuje magnetické pole.

Hlavní body - elektromagnetismus

Teoretické úlohy celostátního kola 53. ročníku FO

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

6 Pohyb částic v magnetickém poli

Theory Česky (Czech Republic)

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

BIOMECHANIKA. 3,Geometrie lidského těla, těžiště, stabilita, moment síly

ELEKTROSTATIKA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Elektřina a magnetismus - 2. ročník

Rychlost, zrychlení, tíhové zrychlení

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

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

FYZIKA I. Gravitační pole. Prof. RNDr. Vilém Mádr, CSc. Prof. Ing. Libor Hlaváč, Ph.D. Doc. Ing. Irena Hlaváčová, Ph.D. Mgr. Art.

Počty testových úloh

3 Mechanická energie Kinetická energie Potenciální energie Zákon zachování mechanické energie... 9

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.

Příklady: 31. Elektromagnetická indukce

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

Obr. 11.1: Rozdělení dipólu na dva náboje. Obr. 11.2: Rozdělení magnetu na dva magnety

OTAČIVÉ ÚČINKY SÍLY (Jednoduché stroje - Páka)

BIOMECHANIKA KINEMATIKA

Dynamika. Dynamis = řecké slovo síla

a) [0,4 b] r < R, b) [0,4 b] r R c) [0,2 b] Zakreslete obě závislosti do jednoho grafu a vyznačte na osách důležité hodnoty.

4. V jednom krychlovém metru (1 m 3 ) plynu je 2, molekul. Ve dvou krychlových milimetrech (2 mm 3 ) plynu je molekul

Digitální učební materiál

PRÁCE, VÝKON, ENERGIE. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - 1. ročník - Mechanika

Úlohy pro samostatnou práci k Úvodu do fyziky pro kombinované studium

Měření tíhového zrychlení matematickým a reverzním kyvadlem

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

Mechanika tuhého tělesa

4. Statika základní pojmy a základy rovnováhy sil

CVIČENÍ č. 10 VĚTA O ZMĚNĚ TOKU HYBNOSTI

Graf závislosti dráhy s na počtu kyvů n 2 pro h = 0,2 m. Graf závislosti dráhy s na počtu kyvů n 2 pro h = 0,3 m

5. Stanovení tíhového zrychlení reverzním kyvadlem a studium gravitačního pole

hmotný bod je model tělesa, nemá tvar ani rozměr, ale má hmotnost tuhé těleso nepodléhá deformacím, pevné těleso ano

7. Gravitační pole a pohyb těles v něm

Zadání programu z předmětu Dynamika I pro posluchače kombinovaného studia v Ostravě a Uherském Brodu vyučuje Ing. Zdeněk Poruba, Ph.D.

VZÁJEMNÉ SILOVÉ PŮSOBENÍ VODIČŮ S PROUDEM A MAGNETICKÉ POLE

Obr. 9.1 Kontakt pohyblivé části s povrchem. Tomuto meznímu stavu za klidu odpovídá maximální síla, která se nezývá adhezní síla,. , = (9.

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

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium 2015

Fyzika - Kvinta, 1. ročník

FYZIKA I. Pohyb setrvačníku. Prof. RNDr. Vilém Mádr, CSc. Prof. Ing. Libor Hlaváč, Ph.D. Doc. Ing. Irena Hlaváčová, Ph.D. Mgr. Art.

Okruhy problémů k teoretické části zkoušky Téma 1: Základní pojmy Stavební statiky a soustavy sil

Laboratorní úloha č. 5 Faradayovy zákony, tíhové zrychlení

Test jednotky, veličiny, práce, energie, tuhé těleso

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

[GRAVITAČNÍ POLE] Gravitace Gravitace je všeobecná vlastnost těles.

ELEKTŘINA A MAGNETIZMUS

Zapnutí a vypnutí proudu spínačem S.

Vyřešením pohybových rovnic s těmito počátečními podmínkami dostáváme trajektorii. x = v 0 t cos α (1) y = h + v 0 t sin α 1 2 gt2 (2)

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

Fyzika II, FMMI. 1. Elektrostatické pole

Řešení: Nejdříve musíme určit sílu, kterou působí kladka proti směru pohybu padajícího vědra a napíná tak lano. Moment síly otáčení kladky je:

Elektřina: Elektrostatika: Elektrostatika: Elektrostatika: Analogie elektřiny s mechanikou: Elektrostatika: Souvislost a analogie s mechanikou.

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium Studijní program Fyzika obor Učitelství fyziky matematiky pro střední školy

plochy oddělí. Dále určete vzdálenost d mezi místem jeho dopadu na

Elektřina. Elektrostatika: Elektrostatika: Elektrostatika: Analogie elektřiny s mechanikou: Elektrostatika: Souvislost a analogie s mechanikou.

Řešení úloh 1. kola 52. ročníku fyzikální olympiády. Kategorie D., kde t 1 = s v 1

Zavádění inovativních metod a výukových materiálů do přírodovědných předmětů na Gymnáziu v Krnově

Projekt ŠABLONY NA GVM registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.5.00/ III-2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT

Hydromechanické procesy Hydrostatika

Práce, výkon, energie

Práce, energie a další mechanické veličiny

Přímková a rovinná soustava sil

TÍHOVÉ ZRYCHLENÍ TEORETICKÝ ÚVOD. 9, m s.

6 DYNAMIKA SOUSTAVY HMOTNÝCH BODŮ

MĚŘENÍ MOMENTU SETRVAČNOSTI Z DOBY KYVU

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

(1 + v ) (5 bodů) Pozor! Je nutné si uvědomit, že v a f mají opačný směr! Síla působí proti pohybu.

Příklad 3 (25 bodů) Jakou rychlost musí mít difrakčním úhlu 120? -částice, abychom pozorovali difrakční maximum od rovin d hkl = 0,82 Å na

ELEKTŘINA A MAGNETIZMUS kontrolní otázky a odpovědi

mechanická práce W Studentovo minimum GNB Mechanická práce a energie skalární veličina a) síla rovnoběžná s vektorem posunutí F s

Transkript:

ELEKTŘINA A MAGNETIZMUS Řešené úlohy a postupy: Magnetická síla a moment sil Peter Dourmashkin MIT 006, překlad: Jan Pacák (007) Obsah 6. MAGNETICKÁ SÍLA A MOMENT SIL 3 6.1 ÚKOLY 3 ÚLOHA 1: HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETR 3 OTÁZKA 1: ROZDÍL POTENCIÁLŮ 3 OTÁZKA : MAGNETICKÉ POLE 3 OTÁZKA 3: KINETICKÁ ENERGIE 3 OTÁZKA 4: TRAJEKTORIE ČÁSTIC 4 OTÁZKA 5: UHLÍK 1 C 4 ŘEŠENÍ ÚLOHY 1: HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETR 4 OTÁZKA 1: ROZDÍL POTENCIÁLŮ 4 OTÁZKA : MAGNETICKÉ POLE 4 OTÁZKA 3: KINETICKÁ ENERGIE 4 OTÁZKA 4: TRAJEKTORIE ČÁSTIC 4 OTÁZKA 5: UHLÍK 1 C 4 MAGNETICKÝ DIPÓLOVÝ MOMENT 5 ÚLOHA : ČTVERCOVÁ SMYČKA 5 OTÁZKA 1: MOMENT SÍLY 5 OTÁZKA : LEVITACE 5 OTÁZKA 3: VISÍCÍ DÍTĚ 6 OTÁZKA 4: HOUPAJÍCÍ SE DÍTĚ 6 OTÁZKA 5: JINÝ ÚHEL 6

ŘEŠENÍ ÚLOHY : ČTVERCOVÁ SMYČKA 6 OTÁZKA 1: MOMENT SÍLY 6 OTÁZKA : LEVITACE 6 OTÁZKA 3: VISÍCÍ DÍTĚ 6 OTÁZKA 4: HOUPAJÍCÍ SE DÍTĚ 6 OTÁZKA 5: JINÝ ÚHEL 7 ÚLOHA 3: NABITÁ ČÁSTICE V MAGNETICKÉM POLI 7 OTÁZKA 1: MAGNETICKÉ POLE NAD OSOU 7 OTÁZKA : MAGNETICKÉ POLE NAD OSOU 7 OTÁZKA 3: MAGNETICKÉ POLE POD OSOU 7 OTÁZKA 4: ČAS POTŘEBNÝ K POHYBU 8 ŘEŠENÍ ÚLOHY 3: NABITÁ ČÁSTICE V MAGNETICKÉM POLI 8 OTÁZKA 1: MAGNETICKÉ POLE NAD OSOU 8 OTÁZKA : MAGNETICKÉ POLE NAD OSOU 8 OTÁZKA 3: MAGNETICKÉ POLE POD OSOU 8 OTÁZKA 4: ČAS POTŘEBNÝ K POHYBU 8

6. Magnetická síla a moment sil 6.1 Úkoly (a) Seznamte se s chováním nabité částice v homogenním magnetickém poli na příkladu hmotnostního spektrometru. (b) Spočítejte moment sil působící na obdélníkovou proudovou smyčku v homogenním magnetickém poli. (c) Zopakujte si definici dipólového momentu proudové smyčky a napište moment sil působící na smyčku za pomoci dipólového momentu smyčky a vektoru magnetické indukce. Úloha 1: Hmotnostní spektrometr Hmotnostní spektrometr je složen ze zdroje nabitých částic, který ionizuje atom, jehož hmotnost chceme měřit (ideálně pouze jednou), urychlovače, části, kde se vlivem magnetického pole zakřiví trajektorie částic, a detektoru. Viz Obr. 1. Obr. 1: Schéma hmotnostního spektrometru, Na obrázku 1 opouští ionty zdroj částic se zanedbatelnou rychlostí. Jsou urychleny rozdílem potenciálů v oblasti urychlovače a malou štěrbinou (X) vstupují do oblasti homogenního magnetického pole, kde je jejich dráha zakřivena a kde je za další štěrbinou detektor. Měněním urychlujícího napětí V můžeme tak proměřovat interval hmotností (lépe řečeno poměru hmotnosti k náboji) a můžeme tak určit například složení neznámého plynu. Otázka 1: Rozdíl potenciálů Jakou polaritu by měl mít rozdíl potenciálů V na urychlovači? (Má být pro kladně nabité částice vyšší potenciál u zdroje částic nebo u oblasti homogenního magnetického pole?) Otázka : Magnetické pole Jakou orientaci by mělo mít magnetické pole tak, aby kladně nabité částice dopadaly na detektor? Otázka 3: Kinetická energie Vyjádřete kinetickou energii iontů vstupujících do oblasti homogenního magnetického pole. 3

Otázka 4: Trajektorie částic Po jaké trajektorii se pohybují ionty v oblasti homogenního magnetického pole? Spočítejte indukci magnetického pole tak, aby iont o hmotnosti m a náboji q, dopadl na detektor (ve vzdálenosti D od vstupního otvoru částice do magnetického pole). Otázka 5: Uhlík 1 C Jaké napětí musí být na urychlovači, aby jednou ionizovaný uhlík 1 C dopadnul na detektor ve vzdálenosti D = 0 cm od urychlovače? Indukce magnetického pole je B = 1T. Můžete předpokládat, že protony i neutrony mají stejnou hmotnost mc 1GeV. Řešení úlohy 1: Hmotnostní spektrometr Otázka 1: Rozdíl potenciálů Aby byly urychlovány kladné ionty, musí být vyšší potenciál u zdroje částic. Otázka : Magnetické pole Směr vektoru magnetické indukce by měl být kolmý na nárysnu a měl by mířit z nárysny, tak aby síla q v B na počátku mířila doprava. Otázka 3: Kinetická energie Ionty jsou z počátku v klidu, kinetická energie je rovna změně energie částice při průchodu elektrickým polem Otázka 4: Trajektorie částic 1 Ek = mv = q V. Částice se pohybují po polokruhové trajektorii, magnetická síla musí být rovna dostředivé síle, kdy průměr trajektorie částice musí mít vzdálenost detektoru D : mv mv 8m V qvb = B = B =. D/ qd qd Otázka 5: Uhlík 1 C Vyjdeme z výrazu, který je odvozen v řešení otázky 4: 8 1 ( 0, m) ( 1 T) ( 3 10 ms ) qd B c e 4 V = = 4 10 V. 8mc 81GeV ( ) 4

Magnetický dipólový moment V kurzu jsme odvodili, že rovinná proudová smyčka o ploše A (s normálovým jednotkovým vektorem ˆn kolmým na tuto plochu) a proudu I vytváří magnetický dipólový moment µ daný vztahem µ IA= IAn ˆ. Normálový vektor ˆn míří do směru, který je definován pravidlem pravé ruky pokud prsty pravé ruky budou mířit do směru proudu tekoucího smyčkou, vztyčený palec určí směr normálového vektoru. Pokud smyčku umístíme do vnějšího homogenního magnetického pole působit moment síly B ext, bude na ni A v nehomogenním magnetickém poli τ = µ B ext. B ext na ni bude působit síla F = ( µ ) B ext. (Všimněte si, že výslednice sil působící na dipól v homogenním magnetickém poli je nulová.) Úloha : Čtvercová smyčka Mějme čtvercovou smyčku o straně, která se může volně otáčet kolem vodorovné osy AA, viz Obr.. V okolí smyčky je homogenní magnetické pole o indukci B, vektor magnetické indukce míří kolmo dolů. Smyčkou teče proud I. Otázka 1: Moment síly Obr. : Obdélníková smyčka zavěšená za horní stranu. Spočítejte moment síly působící na smyčku. Otázka : Levitace Jakým směrem musí smyčkou téct proud, aby smyčka v homogenním magnetickém poli levitovala (po nebo proti směru chodu hodinových ručiček při pohledu shora)? 5

Otázka 3: Visící dítě Zanedbejte hmotnost smyčky o hraně = 1m. Na smyčce však visí malé dítě ( m = 0 kg), smyčka v klidové poloze (i s dítětem) s normálou svírá úhel θ = 45. Jak velká musí být indukce magnetického pole B, pokud smyčkou může téci maximální proud I = 100 A? Otázka 4: Houpající se dítě Nyní se dítě začne na smyčce houpat. Je rovnovážná poloha spočítaná v otázce 4 labilní nebo stabilní? Pokud je labilní, spadne dítě i se smyčkou do spodní polohy (θ =0 ) nebo je naopak magnetické pole zvedne do polohy (θ = 90 )? Pokud je poloha stabilní, počítejte frekvenci malých oscilací kolem rovnovážné polohy. Nápověda: Můžete využít vztahů sin( x + y) = sin xcos y+ sin ycosx, cos( x + y) = cosxcos y sin xsin y a vztahů pro malé úhly kdy sin( x) x a cos( x) 1. Dejte do rovnosti momenty síly gravitačního a magnetického pole pro úhel θ = 45. Moment setrvačnosti hmotného bodu ve vzdálenosti od osy otáčení je m. Otázka 5: Jiný úhel Pokud bychom chtěli, aby se dítě houpalo pod úhlem θ = 60, je výhodnější nechat pole tak jak je, tedy mířící dolů, nebo jej otočit o 90 stupňů? Řešení úlohy : Čtvercová smyčka Otázka 1: Moment síly Víme, že τ = µ B a dipólový moment čtvercové smyčky je µ = IA= I. Moment síly je ext ( ) τ = µ Bsin 90 θ = µ Bcos θ. Otázka : Levitace Síla působící na spodní stranu smyčky musí mířit vzhůru, takže při pohledu shora musí proud smyčkou procházet ve směru chodu hodinových ručiček. Otázka 3: Visící dítě Dítě na smyčku působí momentem síly τ = mglsinθ, který musí být vyrovnán momentem síly magnetického pole: mg sinθ mg tanθ I Bcosθ = mg sinθ B= = = T. i cosθ I Otázka 4: Houpající se dítě Dítě je v rovnovážné poloze stabilní. Pokud úhel θ zvýšíme, sníží se moment síly působícího magnetického pole a převáží moment gravitační síly, úhel se začne zmenšovat. Pokud úhel zmenšíme, moment síly způsobený magnetickým polem vzroste a bude se nažit vrátit smyčku zpět do rovnovážné polohy. 6

Celkový moment síly působící na smyčku pro úhel 45 + θ je: cos( 45 ) sin( 45 ) ( cos45 cos θ sin45 sin θ) ( sin45 cos θ sin θcos45 ) ( IlB( 1 θ) mg ( 1 θ) ) ( I B mg ) θ( i B mg ). τ = I B + θ mg + θ = = I B mg + ( ) + = + Pro θ = 0 je výsledný moment nulový, tedy τ mgl θ a řešit diferenciální rovnici I B= mg a můžeme přepsat moment g τ mg θ = Iτ θ = ml θ θ = θ = ω θ, ω = g. Otázka 5: Jiný úhel Pokud chceme co největší moment síly působící při stejné indukci magnetického pole, měl by být úhel mezi smyčkou a vektorem magnetické indukce co nejblíže 90. Pro úhel 60 se tedy vyplatí pole otočit. Úloha 3: Nabitá částice v magnetickém poli Nabitá částice o hmotnosti m a náboji q > 0 je v čase t = 0 na počátku vztažné soustavy a pohybuje se rychlostí v = vˆj. Její trajektorie je zachycena na obrázku vpravo. Velikost rychlosti v = v = konst je stejná po celou dobu pohybu, mění se pouze směr rychlosti. Otázka 1: Magnetické pole nad osou Z trajektorie částice nad osou x je zřejmé, že částice se pohybuje v konstantním magnetickém poli. Pro kladně nabitou částici míří toto pole z nebo do nárysny? Otázka : Magnetické pole nad osou Odvoďte velikost vektoru magnetické indukce pro pole nad osou x. Výsledek vyjádřete pomocí veličin q, m, R, v a příslušných konstant. Otázka 3: Magnetické pole pod osou Magnetické pole pod osou x má jiný směr i velikost, spočítejte velikost a směr vektoru magnetické indukce pro pole pod osou x. Výsledek vyjádřete pomocí veličin q, m, R, v a příslušných konstant. 7

Otázka 4: Čas potřebný k pohybu Jak dlouho trvalo částici, než se dostala z počátku do bodu P (viz obrázek), který je na ose x? Výsledek vyjádřete v zadaných veličinách. Řešení úlohy 3: Nabitá částice v magnetickém poli Otázka 1: Magnetické pole nad osou Pole B míří z nárysny. Otázka : Magnetické pole nad osou Magnetická síla musí být rovna síle dostředivé: mv mv qvb = B =. R qr Otázka 3: Magnetické pole pod osou Pole B pod osou x míří do nárysny, jeho velikost je mv B =. qr Otázka 4: Čas potřebný k pohybu π R πr/ 3πR t = + =. v v v 8