Закон движения электрона в магнитном поле

Каково движение электрона в магнитном поле

Известно, что магниты представляют собой металлы, обладающие свойством к притяжению прочих магнитов и металлических предметов определенного состава. Во внутренней области таких объектов сгенерировано магнитное поле, действие которого можно наблюдать в реальных условиях. Эффект проявляется по-разному, то есть магнит отталкивает или притягивает предметы.

Роль источника, формирующего магнитное поле, играют заряженные частицы, которые пребывают в движении. Если перемещение зарядов обладает определенным направлением, то такой процесс называют электрическим током. Таким образом, легко сделать вывод об образовании магнитного поля, благодаря наличию электричества.

Электрический ток ориентирован по перемещению зарядов со знаком плюс и направлен противоположно относительно передвижения частиц, которые заряжены отрицательно. Если предположить, что имеется некая трубка в форме кольца с потоком воды, то какой-то ток примет противоположное ему направление. Электрический ток записывают с помощью буквы I.

Если рассматривать металлические предметы, то в них образование тока связано с перемещением отрицательных зарядов. На наглядном изображении продемонстрировано передвижение частиц, заряженных отрицательно, то есть электронов, в левую сторону. В то время как электричество ориентировано в правую сторону.

Источник: habr.com

В начале исследований электричества ученые не обладали информацией о природе и свойствах носителей электрического тока. При рассмотрении аналогичного проводника слева, как на рисунке выше, можно заметить, что ток перемещается от наблюдателя, а магнитное поле окружает его по часовой стрелке.

Источник: habr.com

Эксперимент можно продолжить, используя компас. При размещении прибора около проводника, изображенного на схеме, произойдет разворот стрелки перпендикулярно относительно рассматриваемого проводника, параллельно по отношению к силовым линиям магнитного поля, то есть параллельно кольцевой стрелке, обозначенной черным цветом на изображении.

Представим, что имеется некий шарообразный предмет, заряженный положительно. Заряд со знаком плюс обусловлен недостаточным количеством электронов. Данному шарику можно задать направление путем подбрасывания вперед. В таком случае вокруг объекта сформируется аналогичное предыдущему примеру магнитное поле кольцевого типа, которое закручивается вокруг шарика по направлению часовой стрелки.

Источник: habr.com

В данном случае заряженные частицы перемещаются в определенном направлении. Таким образом, целесообразно сделать вывод о наличии электрического тока. В результате при возникновении электричества вокруг него формируется магнитное поле. Передвигающийся заряд, либо какое-то количество таких частиц, формирует около себя «тоннель» в виде магнитного поля. При этом стенки «тоннеля» более плотные около перемещающейся заряженной частицы.

Удаляясь от перемещающегося заряда, напряженность, то есть сила генерируемого магнитного поля, слабеет. В результате компасная стрелка меньше реагирует на него. Закон, согласно которому напряженность рассматриваемого поля распределяется около источника, аналогичен закономерности формирования электрического поля вокруг заряда. Таким образом, величина напряженности и квадрат расстояния до источника находятся в обратной пропорциональной зависимости.

Рассмотрим следующую ситуацию, когда шарик с положительным зарядом движется по траектории в форме круга. В таком случае кольцевые линии магнитных полей, сформированных вокруг предмета, складываются. В итоге получается магнитное поле, обладающее перпендикулярным направлением относительно плоскости, в рамках которой происходит движение заряженного шарика.

Источник: habr.com

Заметим, что «тоннель» магнитного поля, образованный около заряженного объекта, сворачивается, и получается кольцо, которое схоже по форме с бубликом. Аналогичную ситуацию можно наблюдать в процессе сворачивания в кольцо проводника с электричеством. Тогда проводник, деформированный так, что получается катушка с множеством витков, называют электромагнитом. Около подобного предмета формируются магнитные поля за счет перемещающихся в нем зарядов, то есть электронов.

При условии вращения шарика с зарядом вокруг собственной оси возникает магнитное поле по аналогии с тем, что образовано у нашей планеты, которое ориентировано вдоль оси вращательного движения. Тогда имеет место возникновение кругового электрического тока, который определяют как ток, провоцирующий образование магнитного поля во время перемещения по круговой траектории заряженной частицы относительно оси шарика.

Источник: habr.com

В этом случае процесс аналогичен перемещению шарика по кругу. Отличие состоит в том, что радиус орбиты движения уменьшен до величины радиуса шарообразного объекта. Вышеизложенные выводы имеют смысл и тогда, когда заряд шарика имеет знак минуса, а магнитное поле ориентировано противоположно.

Описанный выше эффект удалось выявить экспериментальным путем Роуланду и Эйхенвальду. Исследователи фиксировали магнитные поля около дисков, обладающих зарядом и совершающих вращательные движения. Вблизи этих объектов замечали отклонения компасной стрелки. Ознакомиться с наглядным представлением опыта можно на рисунке ниже:

Источник: habr.com

На изображении отмечены направления магнитных полей, которые зависят от положительного или отрицательного заряда дисков, расположенных в системе. По рисунку заметно, как эти направления меняются при смене знака заряда. Если диск, не обладающий зарядом, привести во вращательное движение, то магнитное поле отсутствует. Стационарные заряды также не образуют вокруг себя поля.

Как найти скорость

В плане изучения интересен процесс перемещения зарядов в пространственной области при наличии магнитного и электрического поля. Применительно к такой ситуации целесообразно воспользоваться соотношением для силы Лоренца, которая представляет собой суммарную величину сил, оказывающих воздействие на заряд, перемещающийся в электрическом и магнитном полях.

Представим, что заряд равен q и перемещается со скоростью \(\overrightarrow{v}\) в условиях однородного магнитного поля, индукция которого составляет \(\overrightarrow{В}\), а также в присутствии электрического поля с определенной напряженностью \(\overrightarrow{N}\). Запишем силу воздействия электрического поля на заряд по модулю:

\(Fэ = qE\)

Этот компонент силы Лоренца принято называть электрической составляющей. Применительно к магнитному полю, на перемещающийся заряд воздействует магнитная составляющая силы Лоренца. Модуль определяют по закономерности Ампера. Представим, что проводник, по которому течет электричество, расположен в однородном магнитном поле. Вдоль этого объекта перемещаются заряды. Проанализирует ситуацию на отрезке данного проводника, который в длину составляет \(\triangle l\), а площадь его поперечного сечения равна S.

Источник: иванов-ам.рф

Формула для вычисления силы тока, протекающего по проводнику:

\(I = qnυS\)

Зная, что:

\(F_{А} = BI\triangle l sin \alpha\)

Получим следующее выражение:

\(FA = BqnvSΔ\triangle l sin \alpha\)

Здесь \(N = nS\triangle l\) обозначает количество зарядов, входящих в объем \(S\triangle l\).

Исходя из записанной формулы, несложно выразить скорость движения заряда с учетом второго закона Ньютона:

\(v = \frac{qBR}{m}\)

Траектория движения

Изучить направление, в котором перемещаются заряженные частицы в магнитном поле, целесообразно на примере простейшего случая. При этом происходит движение заряда в однородном магнитном поле с индукцией, которая является перпендикуляром исходной скорости заряженной частицы. Схематично передвижение заряда изображено на рисунке:

Источник: иванов-ам.рф

В связи со стабильным значением модуля скорости заряда, не меняется модуль магнитной составляющей силы Лоренца по аналогии. Исходя из того, что рассматриваемая сила является перпендикуляром к скорости, можно заключить наличие центростремительного ускорения у перемещающейся частицы. Данная величина также не меняется по модулю, что позволяет сделать вывод о постоянстве радиуса кривизны R рассматриваемой траектории. Таким образом, подтверждается ранее выведенная формула скорости:

\(v = \frac{qBR}{m}\)

Период обращения электрона в магнитном поле

Запишем математическое соотношение, позволяющее выразить период обращения заряженной частицы в магнитном поле:

\(T=\frac{2 \cdot{\pi}\cdot r}{\upsilon};\)

\(r=\frac{m \cdot \upsilon}{|q| \cdot B} \Rightarrow T=\frac{2 \cdot \pi \cdot m}{|q| \cdot B}.\)

Отклонение электронов в магнитном поле

Из предыдущего анализа движения заряда известно, что процесс сопровождается воздействием на частицу, перемещающуюся в магнитном поле, силы Лоренца. Данная сила определяется величиной и знаком рассматриваемой частицы, а также зависит от быстроты ее перемещения и индукции магнитного поля. В итоге траектория, по которой движется заряд, изменяется. Опытным путем явление можно наблюдать с помощью системы магнитного поля и электронного луча осциллографа.

В ходе эксперимента необходимо выключить горизонтальную развертку луча и с помощью рукояток отрегулировать положение луча по вертикали и горизонтали. В результате последовательных манипуляций луч окажется направленным непосредственно в центральную область экрана. Следует расфокусировать образованное световое пятно, увеличивая яркость до максимально возможного значения. Если поместить рядом с прибором постоянный магнит, то можно наблюдать смещение пятна вбок, как изображено на рисунке:

Источник: duckproxy.com

Изменение положение пятна наблюдается в процессе приближения или удаления магнита от осциллографа. Таким образом, справедливо сделать вывод о том, что смещение пятна зависит от величины индукции магнитного поля. Если перевернуть магнит, то направление индукции изменится, а пятно на экране переместится в противоположную сторону.

Примеры решения задач

Решение

В первую очередь следует записать данные из условия задачи. Так как речь в задании идет об электроне, то следует выписать справочные величины заряда и массы:

\({q}_{e}=-1.6\cdot {10}^{-19} {Кл}\)

\({m}_{e}=9.1\cdot {10}^{-31} {кг}\)

Вспомним формулу для расчета период обращения заряженной частицы в магнитном поле из ранее пройденного теоретического материала:

\(T=\frac{2 \cdot{\pi}\cdot r}{\upsilon}; r=\frac{m \cdot \upsilon}{|q| \cdot B} \Rightarrow T=\frac{2 \cdot \pi \cdot m}{|q| \cdot B}\)

Подставим численные значения и получим:

\(T=\frac{2 \cdot 3.14 \cdot 9.1\cdot {10}^{-31}\,\text{кг}}{|-1.6\cdot {10}^{-19}\,\text{Кл}| \cdot 4\cdot {10}^{-3}\,\text{Тл}}=8.9\cdot {10}^{-9}\,с\)

Ответ: период обращения электрона в магнитном поле равен \(8.9\cdot {10}^{-9} с\).

Решение

Изобразим схематично условие задания:

Источник: иванов-ам.рф

В данном случае целесообразно применить правило левой руки, чтобы определить направление силы Лоренца с учетом отрицательного заряда наблюдаемой частицы. Схематично это представлено на рисунке выше. В условиях воздействия магнитного поля электрон подвержен действию магнитной составляющей силы Лоренца. В результате отрицательно заряженная частица будет перемещаться по дуге окружности. Следует вычислить радиус этой окружности. Воспользуемся вторым законом Ньютона:

\(m\overrightarrow{a}=\overrightarrow{F_{л}}\)

Поскольку центростремительное ускорение:

\(а = \frac{v^{2}}{R}\)

В результате получим, что:

\(\frac{mv^{2}}{R}=evB \Rightarrow R=\frac{mv}{eB}\)

При рассмотрении \(\triangle O^{,}OC\) можно сделать вывод:

\(OC = \frac{l}{2} = R \sin \alpha\)

Тогда:

\(l = 2R \sin \alpha = 2\frac{mv \sin \alpha}{eB}\)

При подстановке численных значений получим:

\(l = \frac{2\cdot 10^{6} \cdot \sin \frac{\pi}{4}}{1,76 \cdot 10^{11}\cdot 10^{-3} } = 0,008м = 8 мм\)

Ответ: 8 мм.