Zadania dodatkowe
Oblicz wartość siły magnetycznej działającej na hipotetyczną cząstkę o ładunku poruszającą się z prędkością w polu magnetycznym o indukcji .
Elektron wpada w obszar jednorodnego pola magnetycznego o indukcji z prędkością . Jaka siła działa na niego?
Masa i ładunek kropli wody wynoszą odpowiednio oraz . Jeżeli kropla ma początkową prędkość poziomą , to jakiej indukcji pole magnetyczne będzie podtrzymywać jej ruch w danym kierunku? Dlaczego musimy uwzględnić tu grawitację?
Rozważ cztery przypadki ruchu protonu, takie jak na rysunku poniżej. Dla każdego z nich wyznacz siłę magnetyczną działającą na proton w zależności od wartości , oraz .
Elektron o energii kinetycznej przelatuje pomiędzy równoległymi płytami odległymi od siebie o , pomiędzy którymi utrzymywana jest różnica potencjałów . Ile powinna wynosić indukcja jednorodnego pola magnetycznego , aby elektron poruszał się wzdłuż linii prostej (pomiędzy płytami)? Przyjmij, że i są wzajemnie prostopadłe.
Cząstka α (, ) poruszająca się z prędkością
wpada w obszar, w którym obecne jest pole elektryczne i magnetyczne
Jaka siła działa na nią w chwili początkowej?
Elektron poruszający się z prędkością
wpada w obszar występowania jednorodnych pól: elektrycznego i magnetycznego. Indukcja pola magnetycznego dana jest przez
Jeżeli elektron przemieszcza się w tym obszarze wzdłuż linii prostej, to jakie jest pole elektryczne?
W pewnej chwili elektron mający energię kinetyczną porusza się z zachodu na wschód. Składowa pozioma indukcji ziemskiego pola magnetycznego wynosi i jest zwrócona na północ, a składowa pionowa wynosi i jest zwrócona w dół.
- Wzdłuż jakiej trajektorii porusza się elektron?
- Jaki jest promień krzywizny trajektorii?
Powtórz obliczenia z rozwiązania poprzedniego zadania dla protonu o identycznej energii kinetycznej.
Ile powinna wynosić indukcja pola magnetycznego, aby ograniczyć orbitę protonu poruszającego się z prędkością do okręgu o promieniu ?
Elektron i proton poruszają się z jednakowymi prędkościami w płaszczyźnie prostopadłej do jednorodnego pola magnetycznego. Porównaj promienie i okresy ich orbit.
Proton i cząstka α o identycznych energiach kinetycznych poruszają się w płaszczyźnie prostopadłej do jednorodnego pola magnetycznego. Porównaj okresy ich orbit.
Jon naładowany pojedynczym ładunkiem elementarnym potrzebuje na wykonanie ośmiu okrążeń wzdłuż okręgu w jednorodnym polu magnetycznym o wartości indukcji . Ile wynosi masa jonu?
Cząstka poruszająca się pionowo w dół z prędkością wpada w jednorodne pole magnetyczne skierowane poziomo i zwrócone ze wschodu na zachód.
- Jeżeli cząstka jest początkowo odchylana na północ, to jej ładunek jest dodatni czy ujemny?
- Jeżeli i stosunek ładunku do masy () cząstki wynosi , to jaki jest promień jej trajektorii?
- Ile wynosi prędkość cząstki, jeśli czas trwania jej ruchu w obszarze działania pola to ? Ile wynosi prędkość ruchu cząstki, jeśli zwiększymy ten czas do ?
Proton, deuteron i cząstka α są przyspieszane przez tę samą różnicę potencjałów. Następnie wpadają w takie samo pole magnetyczne i poruszają się prostopadle do niego. Oblicz stosunki promieni ich kołowych trajektorii. Załóż, że oraz .
Pojedynczo naładowany jon porusza się w jednorodnym polu magnetycznym , przebywając 10 okrążeń w ciągu . Zidentyfikuj ten jon.
Dwie cząstki mają takie same pędy, ale ładunek cząstki jest czterokrotnie większy od ładunku cząstki . Jeżeli obie cząstki poruszają się w płaszczyźnie prostopadłej do jednorodnego pola magnetycznego, to jaki jest stosunek promieni ich kołowych orbit?
Jednorodne pole magnetyczne o wartości indukcji jest skierowane równolegle do osi . Proton wpada w to pole z prędkością
i przemieszcza się po trajektorii śrubowej o promieniu .
- Ile wynosi ?
- Ile trwa jedno okrążenie po linii śrubowej?
- W którym miejscu znajdzie się proton po od momentu wejścia w obszar pola?
Elektron poruszający się z prędkością wpada w pole magnetyczne, którego indukcja tworzy kąt z osią i ma wartość . Oblicz
- nachylenie (odległość pomiędzy pętlami helisy);
- promień trajektorii.
- Mierzący odcinek kabla dostarczającego prąd do rozrusznika silnika samochodu tworzy kąt z ziemskim polem . Jakie jest natężenie prądu, gdy kabel doznaje działania siły ?
- Jeżeli przesuniesz drut pomiędzy biegunami silnego magnesu w kształcie podkowy, poddając jego długości działaniu pola o indukcji , to jaka siła będzie wywierana na ten odcinek drutu?
- Jaki jest kąt pomiędzy drutem przewodzącym prąd o natężeniu a polem o indukcji , w którym znajduje się drut, jeżeli drutu doznaje działania siły magnetycznej ?
- Jaka siła zadziała na drut, jeżeli zostanie on obrócony tak, aby utworzyć kąt z polem?
Odcinek drutu o długości leży wzdłuż osi i przewodzi prąd o natężeniu . Znajduje się on w obszarze pola magnetycznego o indukcji . Wyznacz siłę magnetyczną działającą na ten odcinek drutu.
Odcinek długiego na , prostoliniowego przewodnika z prądem , znajduje się w jednorodnym polu magnetycznym o indukcji . Oblicz wielkość siły działającej na ten fragment drutu, jeżeli kąt pomiędzy wektorem indukcji i kierunkiem przepływu prądu wynosi
- ;
- ;
- ;
- .
Elektromagnes wytwarza pole magnetyczne o indukcji w cylindrycznym obszarze o promieniu . Prostoliniowy przewodnik z prądem o natężeniu przechodzi przez to pole tak, jak pokazano na rysunku. Jaka siła magnetyczna jest wywierana na drut?
Pętla z prądem przedstawiona na rysunku leży w płaszczyźnie rysunku, podobnie jak pole magnetyczne. Wyznacz wypadkową sił i wypadkowy moment sił działających na pętlę, jeżeli oraz .
Kołowa cewka o promieniu składa się z pięciu zwojów i przewodzi prąd . Jeżeli cewka znajduje się w jednorodnym polu magnetycznym o indukcji , to jaki maksymalny moment sił jest na nią wywierany?
Kołowa cewka z drutu o przekroju składa się z 20 zwojów i przewodzi prąd . Cewka leży w polu magnetycznym o indukcji , skierowanym równolegle do płaszczyzny podstawy cewki.
- Ile wynosi moment magnetyczny cewki?
- Jaki jest moment sił działających na cewkę?
Przewodząca prąd cewka w polu magnetycznym doświadcza działania momentu sił o wartości maksymalnego możliwego momentu sił. Jaki kąt tworzą wektor indukcji pola magnetycznego i normalna do płaszczyzny podstawy cewki?
Kołowa cewka złożona z 200 zwojów ma promień .
- Prąd o jakim natężeniu musi płynąć przez cewkę, żeby wytworzyć magnetyczny moment dipolowy ?
- Działania jakiego maksymalnego momentu sił będzie doznawać cewka w jednorodnym polu magnetycznym o indukcji ?
- Jeżeli kąt pomiędzy oraz wynosi , to jaką wartość ma moment sił działających na cewkę?
- Ile wynosi magnetyczna energia potencjalna cewki przy tym jej ustawieniu?
Prąd przepływający przez kołową pętlę z drutu o promieniu wynosi .
- Oblicz magnetyczny moment dipolowy pętli;
- Jaki moment sił wywierany jest na pętlę, gdy znajduje się ona w jednorodnym polu magnetycznym o indukcji , takim że oraz są ustawione do siebie pod kątem ?
- Jaką energię potencjalną ma dipol przy tym ustawieniu?
Drut o długości zwinięty jest w płaską pętlę. Pętla przewodzi prąd i umieszczona jest w jednorodnym polu magnetycznym o indukcji .
- Działania jakiego maksymalnego momentu siły doznaje pętla, jeżeli ma kształt kwadratu?
- A jakiego, jeżeli ma kształt okręgu?
- Pod jakim kątem odchylenia od kierunku należy ustawić normalną kołowej cewki, aby moment sił działających na nią był równy maksymalnemu momentowi sił działających na cewkę kwadratową?
Rozważ elektron krążący po kołowej orbicie o promieniu . Udowodnij, że wartość magnetycznego momentu dipolowego oraz momentu pędu elektronu są ze sobą związane poprzez .
Efekt Halla zastosowano do wyznaczenia znaku ładunku jego nośników w próbce półprzewodnika. Próbkę umieszczono pomiędzy biegunami magnesu w taki sposób, że indukcja pola magnetycznego zwrócona jest ku górze. Przez prostokątną próbkę ustawioną poziomo przepuszczono prąd. Gdy prąd płynie w kierunku na wschód, wówczas na północnej stronie próbki pomiar wskazuje wyższy potencjał niż na południowej. Stwierdź, czy nośniki ładunku są dodatnio, czy ujemnie naładowane.
Dla miedzi koncentracja nośników ładunku wynosi elektronów na . Jakie napięcie Halla zostanie zmierzone w płytce miedzi o rozmiarach (długość x szerokość x wysokość), z płynącym przez nią prądem o natężeniu , umieszczonej w polu magnetycznym o indukcji , prostopadłym do boku płytki ?
Efekt Halla zastosowano do wyznaczenia koncentracji ładunku nośników w pewnym nieznanym materiale. Napięcie Halla przy natężeniu prądu zmierzono w polu magnetycznym o indukcji dla prostokątnej próbki o długości , szerokości i wysokości . Wyznacz koncentrację nośników ładunku.
Udowodnij, że napięcie Halla pomiędzy bokami drutów z tego samego materiału przewodzących prądy o identycznych natężeniach i pod działaniem tego samego pola magnetycznego jest odwrotnie proporcjonalne do ich średnic. Wskazówka: rozważ, w jaki sposób prędkość unoszenia zależy od średnicy drutu.
W rozdzielaczu prędkości w spektrometrze masowym stosuje się pole magnetyczne o indukcji .
- Pole elektryczne o jakim natężeniu jest niezbędne, aby oddzielić cząstki o prędkości ?
- Jakie jest napięcie pomiędzy płytami, jeżeli są one oddalone od siebie o ?
Oblicz promień krzywizny trajektorii protonu o energii poruszającego się prostopadle do pola cyklotronu o indukcji .
Nieracjonalne wyniki. Do niemechanicznego miernika przepływu wody wykorzystano pole magnetyczne o indukcji ustawione w poprzek rury dostarczającej wodę do domu; miernik rejestruje napięcie Halla.
- Wyznacz prędkość przepływu wody przez rurę o średnicy , jeżeli napięcie Halla wynosi ;
- Jakie byłoby napięcie Halla przy tej samej prędkości przepływu w przypadku rury o średnicy w takim samym polu magnetycznym?
Nieracjonalne wyniki. Naładowana cząstka o masie (takiej jak masa atomu helu) poruszająca się z prędkością prostopadle do pola magnetycznego o indukcji zatacza okrąg o promieniu .
- Jaki ładunek ma cząstka?
- Co jest nieprawdopodobnego w tym rezultacie?
- Z jakich założeń to wynika?
Nieracjonalne wyniki. Wynalazca chce wytworzyć napięcie , przemieszczając drut o długości prostopadle do ziemskiego pola o indukcji .
- Wyznacz prędkość, z którą należy przesuwać drut;
- Co jest nieprawdopodobnego w tym rezultacie?
- Z jakich założeń to wynika?
Nieracjonalne wyniki. Sfrustrowany z powodu niskiego napięcia Halla otrzymanego w pomiarach przepływu krwi fizyk medyczny decyduje się zwiększyć przyłożone pole magnetyczne tak, aby otrzymać napięcie wyjściowe , przy przepływie krwi z prędkością przez żyłę o średnicy .
- Jakiej indukcji pola magnetycznego potrzebuje?
- Co jest nieprawdopodobnego w tym rezultacie?
- Z jakich przesłanek to wynika?