Скорость движения электрона в магнитном поле формула. Движение электрона в равномерном магнитном поле

В некоторых электровакуумных приборах используется движение электронов в магнитном поле.

Рассмотрим случай, когда электрон влетает в однородное магнитное поле с начальной скоростью v 0, направленной перпендикулярно магнитным силовым линиям. В этом случае на движущийся электрон действует так называемая сила Лоренца F, которая перпендикулярна вектору н0 и вектору напряженности магнитного поля Н. Величина силы F определяется выражением: F= ev0H.

При v0 = 0 сила Рравна нулю, т. е. на неподвижный электрон магнитное поле не действует.

Сила F искривляет траекторию электрона в дугу окружности. Поскольку сила F действует под прямым углом к скорости н0, она не совершает работы. Энергия электрона и его скорость не изменяются по величине. Происходит лишь изменение направления скорости. Известно, что движение тела по окружности (вращение) с постоянной скоростью получается благодаря действию направленной к центру центростремительной силы, которой именно и является сила F.

Направление поворота электрона в магнитном поле в соответствии с правилом левой руки удобно определяется по следующим правилам. Если смотреть в направлении магнитных силовых линий, то электрон движется по часовой стреле.

Иначе говоря, поворот электрона совпадает с вращательным движением винта, который ввинчивается по направлению магнитных силовых линий.

Определим радиус r окружности, описываемой электроном. Для этого воспользуемся выражением для центростремительной силы, известным из механики: F = mv20/r. Приравняем его значению силы F = ev0H: mv20/r = ev0H. Теперь из этого уравнения можно найти радиус: r = mv0/(eH).

Чем больше скорость электрона v0, тем сильнее он стремится двигаться прямолинейно по инерции и радиус искривления траектории будет больше. С другой стороны, с увеличением Н растет сила F, искривление траектории возрастает и радиус окружности уменьшается.

Выведенная формула справедлива для движения в магнитном поле частиц с любыми массами и зарядом.

Рассмотрим зависимость r от m и e. Заряженная частица с большей массой m сильнее стремится лететь по инерции прямолинейно и искривление траектории уменьшится, т. е. rстанет больше. А чем больше заряд e, тем больше сила F и тем сильнее искривляется траектория, т. е. ее радиус становится меньше.

Выйдя за пределы магнитного поля, электрон дальше летит по инерции по прямой линии. Если же радиус траектории мал, то электрон может описывать в магнитном поле замкнутые окружности.

Таким образом, магнитное поле изменяет только направление скорости электронов, но не ее величину, т. е. между электроном и магнитным полем нет энергетического взаимодействия. По сравнению с электрическим полем действие магнитного поля на электроны является более ограниченным. Именно поэтому магнитное поле применяется для воздействия на электроны значительно реже, нежели электрическое поле.

Схемы питания люминесцентных ламп
Люминесцентные лампы включаются в сеть последовательно с индуктивным сопротивлением (дросселем), обеспечивающим стабилизацию переменного тока в лампе. Дело в том, что электрический разряд в газе...

Предисловие
Алек Томсон, кавалер ордена Британской империи 5-й степени, консультант по вопросам безопасности Настоящая книга выходит в свет в тот момент, когда правительствам, коммерческим и промышленным круга...

Обратная связь
Вы начинаете читать эту главу. Можете ли вы вспомнить, как эта книга очутилась в ваших руках открытой на этой странице? Если это произошло случайно и вы начали читать ее из любопытства, то тогда пон...

Национальная безопасность – состояние защищенности жизненно важных интересов личности, общества и государства от внутренних и внешних угроз, способность государства сохранять свой суверенитет и территориальную целостность и выступать субъектом международного права.

Национальная безопасность и военная политика государства

Под безопасностью понимается отсутствие опасности (или защита от нее). Внутренняя безопасность имеет отношение к опасностям, воздействующим на общество или государство изнутри. Внешняя безопасность определяется из отсутствия (или заблаговременных мер против) нападения извне.

В зависимости от возможных последствий, с одной стороны, и активных финансовых затрат – с другой – ныне большую значимость с точки зрения политической безопасности приобретают заблаговременные мероприятия против нападения извне. Существует необходимость предотвращать активные действия, в особенности угрожающие применением или применяющие военную силу и подвергающие опасности самостоятельное развитие общества или существование государства и его граждан.

По мере развития человеческого общества усложнялись связи между народами. Преимущественно аграрный характер экономики предопределял традиционное восприятие земли, пригодной к хозяйственному освоению, как к главной ценности, за обладание которой велась борьба. Споры и конфликты между государствами на протяжении тысячелетий перерастали в войны. Военная сила государства или этноса до промышленной революции лишь приблизительно соответствовала уровню социально-экономического развития и считалась самостоятельной категорией. Не случайно «варварские» племена не раз громили цивилизованные государства, а кочевники – оседлые народы.

Средства, которые служат внешней безопасности, являются средствами преимущественно военного рода. Даже в конце XX века нисколько не утратили своего значения официальных средств внешней безопасности военные силы и вооружение. В рамках процесса разрядки между Западом и Востоком, шедшего в последние годы, ни одно государство не было готово отказаться от военных приготовлений как основы внешней безопасности. Наоборот, в качестве «основания готовности к разрядке» и предпосылки для «мира» официально служит «гарантированная обороноспособность и паритет вооруженных сил» и «система взаимного устрашения».

Понятия безопасности личности, общества и государства не во всем совпадают. Безопасность личности означает реализацию ее неотъемлемых прав и свобод. Для общества безопасность состоит в сохранении и умножении его материальных и духовных ценностей.

Национальная безопасность применительно к государству предполагает внутреннюю стабильность, надежную обороноспособность, суверенитет, независимость, территориальную целостность.

В современных условиях, когда сохраняется опасность ядерной войны, национальная безопасность является неотъемлемой частью всеобщей безопасности. Всеобщая безопасность вплоть до настоящего времени еще в значительной мере основывается на принципах «сдерживания путем устрашения» противостояния ядерных держав. Подлинно всеобщую безопасность невозможно обеспечить за счет ущемления интересов каких-либо государств, ее можно достичь лишь на принципах партнерства и сотрудничества. Поворотным пунктом в формировании новой системы всеобщей безопасности стало признание мировым сообществом невозможности победы и выживания в ядерной войне.

Литература

1. Введение в политологию /Гаджиев К.С., Каменская Г.Н, Родионов А.Н. и др. – М., 1994.
2. Гаджиев К.С. Политическая наука: Пособие для преподавателей, аспирантов и студентов гуманитарных факультетов. – М., 1994.
3. Даниленко В.И. Современный политологический словарь – М., 2000.
4. Краснов Б.И. Основы политологии. – М., 1994.
5. Основы политической науки: Учебное пособие для высших учебных заведений /Под ред. В.П. Пугачева. В 2 ч. – М., 1994.
6. Панарин А.С., Василенко И.А. Политология. Общий курс. – М., 2003.
7. Политология: Конспект лекций /Отв. ред. Ю.К. Краснов. – М., 1994.

2.1. Движение электрона в электрическом поле. Во всех электронных приборах электронные потоки подвергаются воздействию электрического поля. Взаимодействие движущихся электронов с электрическим полем является основным процессом в электронных приборах.

На рис.8,а изображено электрическое поле между двумя плоскими электродами . Они могут представлять собой катод и анод электровакуумного диода или любые два соседних электрода многоэлектродного прибора.

Представим себе, что из электрода, имеющего более низкий потенциал, например из катода, вылетает электрон с некоторой начальной скоростью V 0 .

Рассмотрим движение электрона в однородном магнитном поле. Если неоднородность поля незначительна, или если нет необходимости в получении точных количественных оценок, то для изучения движения в неоднородном поле также можно пользоваться более простыми законами, полученными для однородного поля.

Пусть электрон влетает в однородное магнитное поле с начальной скоростью V 0 , направленной перпендикулярно магнитным силовым линиям, рис. 5. В этом случае на электрон действует сила Лоренца F, которая перпендикулярна вектору V 0 и вектору магнитной индукции В, а численно равна:

При V 0 =0 сила F также равна нулю (на неподвижный электрон магнитное поле не действует). Сила F искривляет траекторию электрона в дугу окружности. Так как сила F действует под прямым углом к скорости V 0 , она не совершает работы. Энергия электрона и его скорость не изменяются. Изменяется лишь направление движения.

Направление движения электрона определяется следующему мнемоническому правилу: поворот электрона совпадает с вращательным движением винта, который ввинчивается в направлении магнитных силовых линий. Это правило часто называют правилом буравчика.

Известно, что движение тела по окружности с постоянной скоростью происходит под действием направленной к центру (центростремительной) силы. В нашем случае в качестве центростремительной выступает сила Лоренца F. Из механики известно, что центростремительная сила может быть рассчитана по формуле:

где r – радиус окружности вращения электрона. Приравняв центростремительную силу, получаемую из последнего выражения к выражению для силы Лоренца, получим:

.

Откуда найдем радиус:

Чем больше скорость электрона, тем больше и радиус окружности, описываемой им в магнитном поле. Выйдя за пределы магнитного поля, электрон летит равномерно и прямолинейно по инерции. Если же радиус окружности мал, то электрон может описывать в магнитном поле замкнутые окружности.

Рассмотрим случай, когда электрон влетает в магнитное поле под любым углом, рис. 6. Выберем координатную плоскость так, чтобы вектор начальной скорости электрона V 0 лежал в этой плоскости и чтобы ось Х совпадала по направлению с вектором В. Разложим V 0 на составляющие V x и V y . Движение электрона со скоростью V x эквивалентно току вдоль силовых линий. На такой ток магнитное поле не действует. Следовательно скорость V x не испытывает никаких изменений. Если бы электрон имел только эту скорость, он бы двигался прямолинейно и равномерно. Влияние поля на скорость V y такое же, как и в первом случае, отображенном на рис. 6. имея только скорость V y электрон двигался бы по окружности в плоскости, перпендикулярной магнитным силовым линиям.

Результирующее движение электрона происходит по винтовой линии (по спирали). В зависимости о значений B, V x и V y , эта спираль более или менее растянута. Радиус спирали легко определить по последней формуле, подставив в нее скорость V y .

Пример первый: пусть сначала имеется постоянное поле в направлении . Ему соответствуют два стационарных состояния с энергиями . Добавим небольшое поле в направлении . Тогда уравнения получатся такими же, как в нашей старой задаче о двух состояниях. Опять, в который раз, получается знакомый уже нам переброс, и уровни энергии немного расщепляются. Пусть, далее, -компонента поля начнет меняться во времени, скажем, как . Тогда уравнения станут такими, как для молекулы.аммиака и колеблющемся электрическом пале (см. гл. 7). И тем же способом, что и прежде, вы можете рассчитать процесс во всех деталях. При этом вы увидите, что колеблющееся поле приводит к переходам от -состояния к -состоянию и обратно, если только горизонтальное поле колеблется с частотой, близкой к резонансной, . Это приводит к квантовомеханической теории явлений магнитного резонанса, описанной нами в гл. 35 (вып. 7).

Можно еще сделать мазер, в котором используется система со спином . Прибор Штерна - Герлаха создает пучок частиц, поляризованных, скажем, в направлении , и они потом направляются в полость, находящуюся в постоянном магнитном поле. Колеблющиеся в полости поля, взаимодействуя с магнитным моментом, вызовут переходы, которые будут снабжать полость энергией.

Рассмотрим теперь второй пример. Пусть у нас имеется магнитное поле , направление которого характеризуется полярным углом и азимутальным углом (фиг. 8.10). Допустим еще, что имеется электрон, спин которого направлен по полю. Чему равны амплитуды и для этого электрона? Иными словами, обозначая состояние электрона , мы хотим написать

,

где и равны

а и обозначают то же самое, что раньше обозначалось и (по отношению к выбранной нами оси ).

Ответ на этот вопрос также содержится в наших общих уравнениях для систем с двумя состояниями. Во-первых, мы знаем, что раз спин электрона параллелен , то электрон находится в стационарном состоянии с энергией . Поэтому и , и должны изменяться как [см. уравнение (7.18)]; и их коэффициенты и даются формулой (8.5):

Вдобавок и должны быть нормированы так, чтобы было . Величины и мы можем взять из (8.22), используя равенства

Тогда мы имеем

(8.25).

Кстати, скобка во втором уравнении есть просто , так что проще писать

(8.28)

Подставляя эти матричные элементы в (8.24) и сокращая на , находим

Зная это отношение и зная условие нормировки, можно найти и , и . Сделать это нетрудно, но мы сократим нуть, прибегнув к одному трюку. Известно, что и Значит, (8.27) совпадает с

. (8.28)

Один из ответов, следовательно, таков:

. (8.29)

Он удовлетворяет и уравнению (8.28), и условию

Вы знаете, что умножение и на произвольный фазовый множитель ничего не меняет. Обычно формуле (8.29) предпочитают более симметричную запись, умножая на . Принято писать так:

. (8.30)

Это и есть ответ на наш вопрос. Числа и - это амплитуды того, что электрон будет замечен спином вверх или вниз (но отношению к оси ), если известно, что его спин направлен вдоль оси . [Амплитуды и равны просто и , умноженным на .]

Заметьте теперь занятную пещь. Напряженность магнитного поля нигде в (S.30) не появляется. Тот же результат, разумеется, получится в пределе, если поле устремить к нулю. Это означает, что мы дали общий ответ на вопрос, как представлять частицу, спин которой направлен вдоль произвольной оси. Амплитуды (8.30) - это проекционные амплитуды для частиц со спином , подобные проекционным амплитудам для частиц со спином 1, приведенным в гл. 3 [уравнения (3.38)]. Теперь мы сможем находить для фильтрованных пучков частиц со спином амплитуды проникновения через тот или иной фильтр Штерна - Герлаха.

Пусть представляет состояние со спином, направленным по оси вверх, а - состояние со спином вниз. Если представляет состояние со спином, направленным вверх по оси , образующей с осью углы и , то в обозначениях гл. 3 мы имеем

Эти результаты эквивалентны тому, что мы нашли из чисто геометрических соображений в гл. 4 [уравнение (4.36)], (Если вы в свое время решили пропустить гл. 4, то вот перед вами один из ее существенных результатов.)

Напоследок вернемся еще раз к тому примеру, о котором уже не раз говорилось. Рассмотрим такую задачу. "Сперва имеется электрон с определенным образом направленным спином, затем на 25 минут включается магнитное поле в направлении , а затем выключается. Каким окажется конечное состояние? Опять представим состояние в виде линейной комбинации . Но в нашей задаче состояния с определенной энергией являются одновременно нашими базисными состояниями и . Значит, и меняются только по фазе. Мы знаем, что

Мы сказали, что вначале у спина электрона было определенное направление. Это означает, что вначале и были двумя числами, определяемыми формулами (8.30). Переждав секунд, новые и мы получим из прежних умножением соответственно на / и . Что это будут за состояния? Узнать это легко, ведь это все равно, что измеить угол , вычтя из него , и не трогать угол .

Это значит, что к концу интервала времени состояние будет представлять электрон, выстроенный в направлении, отличающемся от первоначального только поворотом вокруг оси на угол . Раз этот угол пропорционален , то можно говорить, что направление спина прецессирует вокруг оси с угловой скоростью . Этот результат мы уже получали раньше несколько раз, но не так полно и строго. Теперь мы получили полное и точное квантовомеханическое описание прецессии атомных магнитов.. И неважно, какая физика там была первоначально - молекула ли аммиака или что другое, - вы можете перевести ее на язык соответствующей задачи об электроне. Стало быть, если мы в состоянии решить в общем случае задачу об электроне, мы уже решили все задачи о двух состояниях., и изменяйте скорость вращения так, чтобы она все время была пропорциональна напряженности (фиг. 8.11). Если все время это делать, вы остановитесь на какой-то конечной ориентации спиновой оси, и амплитуды и получатся просто как ее проекции [при помощи (8.30)] на вашу систему координат.

Фигура 8.11. Направление спина электрона и изменяющемся магнитном поле прецессирует с частотой вокруг оси, параллельной

Вы видите, что задача эта чисто геометрическая: надо заметить, где закончились все ваши вращения. Хотя сразу видно, что для этого требуется, но эту геометрическую задачу (отыскание окончательного итога вращений с переменным вектором угловой скорости) нелегко в общем случае решить явно. Во всяком случае, мы в принципе видим общее решение любой задачи для двух состояний. В следующей главе мы глубже исследуем математическую технику обращения с частицами спина и, следовательно, обращения с системами, обладающими двумя состояниями, в общем случае.

Ниже размещены условия задач и отсканированные решения. Если вам нужно решить задачу на эту тему, вы можете найти здесь похожее условие и решить свою по аналогии. Загрузка страницы может занять некоторое время в связи с большим количеством рисунков. Если Вам понадобится решение задач или онлайн помощь по физике- обращайтесь, будем рады помочь.

Движение заряда в магнитном поле может происходить по прямой, по окружности и по спирали. Если угол между вектором скорости и силовыми линиями магнитного поля не равен нулю или 90 градусам, заряд движется по спирали - на него действует со стороны магнитного поля сила Лоренца, которое придает ему центростремительное ускорение.

Частица, ускоренная разностью потенциалов 100В, движется в магнитном поле с индукцией 0,1 Тл по спирали радиуса 6,5 см с шагом 1 см. Найти отношение заряда частицы к ее массе.

Электрон влетает со скоростью 1 Мм/с в магнитное поле под углом 60 градусов к силовым линиям. Напряженность магнитного поля 1,5 кА/м. Найти радиус и шаг спирали, по которой будет двигаться электрон.

Электрон движется в магнитном поле с индукцией 100 мкТл по спирали с радиусом 5 см и шагом 20 см. Найти скорость электрона.

Электрон, разогнанный разностью потенциалов 800В, движется в магнитном поле с индукцией 4,7 мТл по спирали с шагом 6 см. Найти радиус спирали.

Протон, разогнанный разностью потенциалов 300В, влетает в магнитное поле под углом 30 градусов к силовым линиям. Индукция магнитного поля 20 мТл. Найти радиус и шаг спирали, по которой будет двигаться протон.

Электрон, разогнанный разностью потенциалов 6 кВ, влетает в магнитное поле под углом 30 градусов к силовым линиям. Индукция магнитного поля 13 мТл. Найти радиус и шаг спирали, по которой будет двигаться электрон.

Альфа-частица, разогнанная разностью потенциалов U, влетает в магнитное поле под углом к силовым линиям. Индукция магнитного поля 50 мТл. Hадиус и шаг спирали - траектории частицы - соответственно 5 см и 1 см. Определить разность потенциалов U.

Электрон влетает со скоростью 1 Мм/с в магнитное поле под углом 30 градусов к силовым линиям. Индукция магнитного поля 1,2 мТл. Найти радиус и шаг спирали, по которой будет двигаться электрон.

Электрон влетает со скоростью 6 Мм/с в магнитное поле под углом 30 градусов к силовым линиям. Индукция магнитного поля 1,0 мТл. Найти радиус и шаг спирали, по которой будет двигаться электрон.

Электрон движется в магнитном поле индукцией 5 мТл по спирали шага 5 см и радиуса 2 см. Определить скорость и кинетическую энергию электрона и угол между векторами скорости электрона и магнитной индукции поля.