Заредена частица в електрично и в магнитно поле

В електрично поле: парабола

Между две заредени плочи полето е еднородно: E = U/d. Върху частица със заряд q действа сила F = qE с постоянна посока — както тежестта върху хвърлено хоризонтално тяло. Затова пътят е парабола: напряко се движи с постоянна скорост, по посоката на силата — с постоянно ускорение a = F/m.

Двойно напрежение дава двойна сила и двойно отклонение. Двойна скорост на влизане дава четири пъти по-малко отклонение, защото частицата прекарва два пъти по-малко време между плочите. Положителната частица отива към отрицателната плоча, отрицателната — към положителната.

Работа на полето и електронволт

Когато частица със заряд q премине през напрежение U, полето върши работа A = qU и кинетичната енергия на частицата се променя с толкова. За частици е удобна единицата електронволт (eV): толкова енергия получава електрон, ускорен от 1 V. В джаули 1 eV е 1,6·10⁻¹⁹ J.

Алфа частицата има два пъти по-голям заряд от протона, затова ускорена от същото напрежение получава два пъти повече енергия: от 100 V — 200 eV.

В магнитно поле: окръжност

Върху частица, която се движи напряко на еднородно магнитно поле, действа сила F = qvB. Тя е винаги перпендикулярна и на скоростта, и на полето. Такава сила само завива частицата и не върши работа: скоростта и енергията ѝ не се менят. Пътят е окръжност.

Частица в покой не усеща магнитното поле — силата е нула, защото v = 0. Частица, която лети по линията на полето, също не усеща сила и не се отклонява.

От какво зависи окръжността (само качествено):

• по-бърза частица — по-голяма окръжност;
• по-силно поле — по-малка окръжност;
• по-тежка частица — по-голяма окръжност;
• обратен знак на заряда — завива на другата страна, по същата окръжност.

Изненада: частица с двойна скорост описва двойно по-голяма окръжност, но връща се за същото време — пътят ѝ е два пъти по-дълъг, а скоростта два пъти по-голяма.

Двете полета заедно

Ако електричното и магнитното поле са перпендикулярни, при една точно подбрана скорост двете сили са равни и частицата минава право. По-бързата завива на страната на магнитната сила, по-бавната — на страната на електричната. Не е вярно, че „при перпендикулярни полета частицата винаги минава право“.

Приложения на сноповете частици

В ускорителя частиците тръгват от покой, получават енергия qU и влизат в магнитно поле. Там описват половин окръжност и удрят детектор на разстояние два радиуса от входа. По-тежката частица удря по-далеч — така се разделят частици по маса. Ускорени частици лекуват тумори (лъчелечение), вкарват атоми в силиция при направата на чипове и работят в рентгеновите апарати. По света работят около 30 000 ускорителя.

Щитът на Земята

От Слънцето непрекъснато идват заредени частици — слънчевият вятър. Магнитното поле на Земята ги отклонява. Частица, която пресича линиите на полето, завива и се връща; частица под ъгъл се навива като винт около линията; частица по линията на полето не се отклонява и стига до атмосферата при полюсите. Там въздухът свети — това са сиянията.

Провери твърдението

Когато някой (или някоя програма) каже твърдение, провери го с опит: пусни частицата и сравни. Така научаваш кое е вярно и кое само звучи убедително.