Kvant. Заряженные частицы

А так ли хорошо знаете вы, как движутся заряженные частицы? // Квант. — 1990. — № 4. — C.40-41.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Исследования, которые привели к открытию электрона,
начались с попыток объяснить расхождение в поведении
катодных лучей под действием магнитных и электрических сия.
Дж. Дж. Томсон

В опытах, связанных с открытием электрона, на его движение воздействовали уже хорошо знакомые ученым и практикам электрическое и магнитное поля. И особенности взаимодействия заряженных частиц с этими полями открыли новые сферы их широчайшего применения: в электронике, неузнаваемо преобразившей мир информации и связи, в действующих и проектируемых энергетических установках, например, МГД-генераторах и токамаках, в масс-спектрометрии, позволяющей «взвешивать» атомы электрическим и магнитным полями. Изучение поведения заряженных частиц в полях привело ученых к объяснению явления космических масштабов — от полярных сияний до процессов, идущих в звездах, дало возможность заглянуть в тайны микромира с помощью гигантских «микроскопов» — ускорителей элементарных частиц.

Этот выпуск «Калейдоскопа» — попытка прояснить картину порой замысловатых движений заряженных частиц, опираясь лишь на школьные знания.

Вопросы и задачи

1. Совпадает ли траектория движения заряженной частицы в электрическом поле с силовой линией этого поля?
2. Протон и α-частица, двигаясь с одинаковой скоростью, влетают в плоский конденсатор параллельно пластинам. Как различаются отклонения частиц полем конденсатора?
3. В металлической трубе переменного сечения движется электрон. Изменится ли его скорость при прохождении сужения?

   

4. В центре равномерно заряженного кольца находится точечный заряд противоположного знака, которому сообщают начальную скорость вдоль оси кольца. Каков характер движения заряда?
5. Может ли потенциальная энергия заряженной частицы в электростатическом поле оставаться неизменной при движении частицы?
6. Мгновенное значение магнитной индукции в распространяющейся вправо электромагнитной волне изображается в некоторой точке вектором, идущим от нас. В какую сторону направлено ускорение электрона, оказавшегося в этой точке?
7. Какие из частиц катодных лучей отклоняются на больший угол одним и тем же магнитным полем: более быстрые или медленные?
8. Пучок одинаково заряженных частиц, сперва двигавшихся параллельно, под влиянием кулоновских сил постепенно расходится. Как зависит этот эффект от скорости частиц?
9. Как вела бы себя магнитная стрелка, если бы она двигалась параллельно электронному пучку с той же скоростью, что и электроны?
10. Может ли заряженная частица, двигаясь в постоянном магнитном поле, увеличить свою энергию за счет энергии поля?
11. Как будет двигаться заряженная частица в параллельных электрическом и магнитном полях, если ее начальная скорость направлена под некоторым углом к \(~\vec E\) и \(~\vec B\)?

12. Почему северное сияние наблюдается в основном в полярных районах земного шара?

1. 

Микроопыт

Поднесите постоянный магнит к экрану работающего телевизора. Что произойдет? Почему?

Любопытно, что…

К. Виркеланд

...еще в начале XX века норвежские ученые Биркеланд и Штермер показали, что магнитное поле Земли может быть своеобразной ловушкой для заряженных частиц. Это и было подтверждено при полетах первых искусственных спутников, когда были открыты радиационные пояса Земли — области с большой концентрацией энергичных заряженных частиц.

...способность неоднородного магнитного поля особой конфигурации — так называемых «магнитных пробок» — удерживать заряженные частицы была положена в основу многих термоядерных установок.

...стремление достигнуть все более высоких энергий на ускорителях заряженных частиц заставляет физиков увеличивать их размеры до циклопических. Так, кольцо сверхпроводящего суперколлайдера в США будет длиной более чем восемьдесят километров.

...космические лучи — быстрые заряженные частицы — возможно ускоряются за счет встреч с блуждающими по Вселенной облаками межзвездного газа и связанными с ними магнитными полями.

...американские астронавты во время полетов на Луну замечали звездообразные вспышки, которые возникали и при открытых, и при закрытых глазах. По-видимому, эти вспышки были обусловлены космическими лучами, вызывающими внутри глаза черенковское излучение — испускание света частицей при ее движении со скоростью, большей скорости света в веществе.

Что читать в «Кванте» о движении частиц

1. «Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях» — 1984, № 4, с. 24;
2. «Открытие электрона» — 1985, № 3, с. 18;
3. «Антипротон в ловушке» — 1987, № 6, с. 7;
4. «Сила Лоренца и эффект Холла» — 1989, № 3, с. 46;
5. «Полярные сияния» — 1989, № 5, с. 58.

Ответы

1. Только в поле, силовые линии которого прямые, и если начальная скорость частицы направлена по силовой линии.
2. Отклонение протона в два раза больше.
3. Электрон начнет ускоряться под влиянием положительных индуцированных зарядов, возникающих на суживающейся части трубы.
4. При определенной — достаточно большой — начальной скорости заряд уйдет в бесконечность; при меньших скоростях он будет совершать периодическое движение вдоль оси кольца.
5. Да, если частица движется вдоль эквипотенциальной поверхности.
6. Вертикально вверх.
7. Более быстрые частицы отклоняются на меньший угол.
8. При увеличении скорости растут магнитные силы притяжения между частицами, и расхождение будет меньше.
9. Такая стрелка была бы неподвижной относительно электронов и не обнаружила бы магнитного поля.
10. Нет, так как действующая на частицу сила Лоренца не совершает работы.
11. По винтовой линии с увеличивающимся шагом, причем ось спирали параллельна \(~\vec E\) и \(~\vec B\).
12. Заряженные частицы сносятся магнитным полем Земли к полюсам, возбуждая там молекулы кислорода и азота, которые затем высвечиваются.

Микроопыт

Поднесенный к экрану телевизора магнит будет искажать изображение из-за воздействия магнитного поля на движение электронов в кинескопе.