Квант
Практикум абитуриента

Движение заряженных частиц в электрическом поле

Столяров И. А.

35

Движение заряженных частц в электрическом поле

Характер движения тела (вид его траектории, формулы, выражение зависимости перемещения и скорости тела от времени и т. д.) не зависит от природы действующего на тело силы. Он определяется только тем, как эта сила зависит от координат тела и от времени. Поэтому различные по внешнему виду задачи, в которых зависимость силы, например, от координат, одинаковы, решаются современно одинаково. Это позволяет при решении многих задачи на движение заряженных частц в электрическом поле воспользоваться тем, что нам известно о движении тела в других «аналгоричных» полях.

Рассмотрим, например, следующую задачу.

Задача 1. На рассмотрении дом беконечной плоской монкой горизонтальной равномерной заряженной плоскими скоростью электрона была равна v0v_0, причем вектор v0v_0 составлял угол а с вертикалью (рис. 1). Плотность заряда плоскими равна σ\sigma. Какова траектория движения электрона, если плоска пропускаем для него? Какой будет скорость электрона, когда он будет находиться на расстоянии b ниже плоски?

Рис. 1.

При решении задачи пребегreb силой тяжестни и влиянием электрона на распределение заряда по лассине.

Решение. Беконечная плоскость, заряженная равномерно с поверхностной плотностью зарядов σ\sigma, создает однородное поле с направлением

E=σ2ε0,E = \frac{\sigma}{2\varepsilon_0},

причем выше и ниже пластины вектор направлен в разные стороны. Поэтому, расматривая движение электрона, удобно отделно рассмотреть движение электрона выше и ниже пластины.

В однородном электрическом поле с направлением EE на электрон действует постоянная сила

F=eE,F = eE,

(где e=−1,6⋅10−19 к−заряд электрона).e = -1,6 \cdot 10^{-19} \text{ к} - \text{заряд электрона}). Эта сила сообщает электрону постоянное ускорение

a=Fm=emE,a = \frac{F}{m} = \frac{e}{m} E,

a=emE=eσ2ε0ma = \frac{e}{m} E = \frac{e\sigma}{2\varepsilon_0 m}

(m — масса электрона). Но, как мы знаем, с постоянным ускорением движения частца в близи поверхности Земли, где силу тяготения можно считать постоянной. Поэтому электрон в нашем случае будет движется так же, как движется частца, брошенная с Земли под углом к горизонту. В частности, это означает, что траекторий движения электрона будет парабола. Точе же, не парабола, а две парабoles, составленные вместе:

36

Одна — выше плоскости, а другая — ниже. Роль ускорения свободного падения gg играет ускорение aa. Для того чтобы ответить на другие вопросы задачи, нужно рассмотреть два случая: а) пластина заряжена отрицательно и б) пластина заряжена положительно.

Рассмотрим случай a). В этом случае вектор направления электрического поля направлен к плоскине, а ускорение aa электрона — от плоскины. Несолько возможность траекторий движения электрона (для разных значений σ\sigma) показаны на рисунке 2. Если ускорение «свободного падения» aa велико, то электрон может и не достигнуть плоскины. Так как вертикальная составляющая начальной скорости электрона равна vy=v0cos⁡αv_y = v_0 \cos \alpha, то максимальная высота HH его «подьема» равна

H=vy22a=(v0cos⁡α)22a=(v0cos⁡α)2ε0mεσ.H = \frac{v_y^2}{2a} = \frac{(v_0 \cos \alpha)^2}{2a} = \frac{(v_0 \cos \alpha)^2 \varepsilon_0 m}{\varepsilon \sigma}.

Если H<dH < d, то это значит, что электрон не должен до пластины. В этом случае минимальное расстояние, на котором электрон приближится к плоскине, равно

h=d−H=d−(v0cos⁡α)2ε0mεσ.h = d - H = d - \frac{(v_0 \cos \alpha)^2 \varepsilon_0 m}{\varepsilon \sigma}.

При H=dH = d траектория электрона касается плоскины, а при H>dH > d электрон проетит плоскину. Ниже пластины траекторий движения электрона будет другая парабола.

Итак как здесь ускорение направлено от пластины, то электрон будет все время удалться от нее.

Найдем, в какой точке электрон проетит через пластину и скорость его в этот момент времени. Для этого запишем уравнения движения электрона. Проекция скорости электрона на ось XX (рис. 2) построена и равна vx=v0sin⁡αv_x = v_0 \sin \alpha. Поэтому координата xx электрона меняется со временем по закону

x=vxt=v0sin⁡α⋅t.x = v_x t = v_0 \sin \alpha \cdot t. (4)

Так как ускорение электрона aa направлено вдоль оси YY, то координата yy меняется со временем так:

y=v0cos⁡α⋅t+at22.y = v_0 \cos \alpha \cdot t + \frac{at^2}{2}. (5)

В момент времени t=t1t = t_1, в которой электрон пересекает пластину, y=y1=dy = y_1 = d и x=x1x = x_1. Подставив эти значения tt, xx и yy в уравнение (4) и (5), получим:

x1=v0sin⁡α⋅t1,x_1 = v_0 \sin \alpha \cdot t_1,

d=v0cos⁡α⋅t1+at22.d = v_0 \cos \alpha \cdot t_1 + \frac{at^2}{2}. (6)

Решая эту систему уравнений, найдем

t1=−v0cos⁡α+v02cos⁡2α+2adat_1 = \frac{-v_0 \cos \alpha + \sqrt{v_0^2 \cos^2 \alpha + 2ad}}{a}

x1=v0sin⁡α⋅−v0cos⁡α+v02cos⁡2α+2adax_1 = v_0 \sin \alpha \cdot \frac{-v_0 \cos \alpha + \sqrt{v_0^2 \cos^2 \alpha + 2ad}}{a}

*) Решая второе из уравнений (6), мы отбросили второй, больший корень для t1t_1. Это уравнение позволяет определить те моменты времени, когда частота имела координату yy, равную dd. Если бы пластина находилась далеко и электрон не пересекаел бы ее при своем движении, то это значение yy повторилось бы дважды: первый раз, когда электрон «поднимался», и второй раз, когда — «падал». Значению координаты y=dy = d при «возвращении» электрона и соответствует второй корень для t1t_1, равный

−v0cos⁡α−v02cos⁡2α+2ad-v_0 \cos \alpha - \sqrt{v_0^2 \cos^2 \alpha + 2ad}

37

При H=dH = d (2ad=−v02cos⁡2α2ad = -v_0^2 \cos^2 \alpha) траектория электропа ксается пластны в точке x2=−v02sin⁡αcos⁡αa=−v02sin⁡2α2ax_2 = -\frac{v_0^2 \sin \alpha \cos \alpha}{a} = -\frac{v_0^2 \sin 2\alpha}{2a}. Это половина дальнейсти полета тела, брошенного под углом к горизонту.

Для того чтобы найти скорость электропа в любой момент времени, нужно найти только вертикальную составляющую vyv_y его скорости в этот момент, так как vx=constv_x = \text{const}. Величина vyv_y меняется со временем по формуле

vy=v0cos⁡α+at.v_y = v_0 \cos \alpha + at.

В момент времени t=t1t = t_1

vy=v0cos⁡α+at1=v02cos⁡2α+2ad.v_y = v_0 \cos \alpha + at_1 = \sqrt{v_0^2 \cos^2 \alpha + 2ad}.

Скорость электропа в этот момент равна

v1=vx2+vy2=v02+2ad=v02+eσdε0m.v_1 = \sqrt{v_x^2 + v_y^2} = \sqrt{v_0^2 + 2ad} = \sqrt{v_0^2 + \frac{e\sigma d}{\varepsilon_0 m}}.

Для того чтобы найти скорость электропа, можно было бы посчитать и иначе — воспользоваться тем, что изменение кинетической энергии тела всегда равно работе действия на тело силы. Это означает, что

mv122−mv022=Eed.\frac{mv_1^2}{2} - \frac{mv_0^2}{2} = Eed.

Отсюда

v1=v02+2Eedm=v02+eσdε0m.v_1 = \sqrt{v_0^2 + \frac{2Eed}{m}} = \sqrt{v_0^2 + \frac{e\sigma d}{\varepsilon_0 m}}.

Эта скорость составляется в вертикальной угол β\beta такой, что

sin⁡β=vxv1=v0v02+eσdε0msin⁡α.\sin \beta = \frac{v_x}{v_1} = \frac{v_0}{\sqrt{v_0^2 + \frac{e\sigma d}{\varepsilon_0 m}}} \sin \alpha.

Точно так же можно найти скорость v′v' электропа в тот момент, когда он находится ниже пластины на расстоянии bb от нее. Так как ниже пластины сила, действующая на электропа

Решим еще одну очевид распространению задачу.

Задча 2. Электрон влагаем в середину плоского конденсатора со скоростью v0v_0, направленной паралелю обкладкам конденсатора. Расстояние между обкладками конденсатора равно dd, дилина пластин LL. На какое расстояние ll относительно первого начального направления движения сметтся электрон при выполнении из конденсатора, если конденсатор заряжен до разности поменчалов UU? Какой будет скорость vv электропа при выполнении из конденсатора? Силой мяжести претенбreb.

Решение. Поле конденсатора однородно. Поэтому внутренняя конденсатор электропа движется так же, как движется тела, брошенное горизонтом.

38

тально в однородном поле тяжестии. Ускорение свободного падения направлено вдоль оси YY (рис. 4) и равно

a=eEm=−emUd(E<0).a = \frac{eE}{m} = -\frac{e}{m} \frac{U}{d} (E < 0).

Вдоль оси XX электрон движется с постоянной скоростью vx=v0v_x = v_0. Поэтому электрон вылетит из конденсатора через время

t=Lv0.t = \frac{L}{v_0}.

Вдоль оси YY за это время он смеется на расстояние

l=at22=−12eUmd(Lv0)2.l = \frac{at^2}{2} = -\frac{1}{2} \frac{eU}{md} \left(\frac{L}{v_0}\right)^2.

Скорость электрона в момент вылетета из конденсатора найдет, воспользовавшись законом сохранения энергии:

mv22−mv022=Eel,\frac{mv^2}{2} - \frac{mv_0^2}{2} = Eel,

v=v02+2Eelm=v02+(eULmdv0)2.v = \sqrt{v_0^2 + \frac{2Eel}{m}} = \sqrt{v_0^2 + \left(\frac{eUL}{mdv_0}\right)^2}.

Вектор скорости vv составляет с направлением вектора v0v_0 угол β\beta такой, что

cos⁡β=v0v=v0v02+(eULmdv0)2.\cos \beta = \frac{v_0}{v} = \frac{v_0}{\sqrt{v_0^2 + \left(\frac{eUL}{mdv_0}\right)^2}}.

Как видите, задача о движении заряженной частицы в конденсаоте

F=14πε0Qqr2,F = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \frac{Qq}{r^2},

где rr — расстояние между зарядами. Эта сила направлена вдоль линии, соединяющей заряды, и сообщает заряду qq ускорение

a=14πε0Qqr2ma = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \frac{Qq}{r^2 m}

(mm — масса заряда qq).

Сила FF обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами. Но точно так же зависит от расстояния сладь всемирного тяготения. Это означает, что в поле закрепленного точного заряда заряженная частица движется так же, как движется тело в поле тяготения на большом расстоянии от приятии шгощего центра — по окружности, эллипсу, параболе или гиперболе в зависимости от скорости частицы.

В подавляющем большинстве задач, которые могут встретиться на экзаменах, траектория движения — окружность. Решать такие задачи нужно точно так же, как и любые другие задачи на движение тела по окружности — запись уравнения движения (уравнение П. закона Ньютона), воспользовавшись тем, что при движении тела по окружности радиуса RR со скоростью vv его центроретическим ускорением равно

a=v2R.a = \frac{v^2}{R}.

Рассмотрим пример.

Задача 3. В модели атома водорода Бора — Резерфора электрон врачается по окружности векру

39

Рис. 5.

положимельно заряженное ядра. Заряд ядра ∣e∣|e|. Определять скорость иускорение электрона в атоме, если радиус атома водорода r=0,5⋅10−10r = 0,5 \cdot 10^{-10} м.

Решение e. Запишем уравнение движения электрона:

14πε0e2r2=mv2r,\frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \frac{e^2}{r^2} = m \frac{v^2}{r},

где mm — масса электрона и vv — его скорость. Отсюда найдем

v=14πε0e2mr≈2,2⋅106 m/c.v = \sqrt{\frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \frac{e^2}{mr}} \approx 2,2 \cdot 10^6 \text{ m/c.}

a=v2r≈9,7⋅1022 m/c2.a = \frac{v^2}{r} \approx 9,7 \cdot 10^{22} \text{ m/c}^2.

Задача 4. Два одинаковых мощных заряда qq движутся по окружности радиуса RR вокруг заряда QQ. При этом заряды qq находятся на концах однозоно диаметра (рис. 5). Наименуемые скорости враценя зарядов qq и относение общей kinematicской энергии зарядов к моментальной.

Решение. Заряды QQ и qq должны иметь различные значки, иначе заряды qq разлетятся. На каждый из зарядов qq действует сила

F=14πε0(QqR2−q2(2R)2).F = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \left( \frac{Qq}{R^2} - \frac{q^2}{(2R)^2} \right).

Эта сила сообщает каждому заряду центростремительное ускорение, равное v2R=ω2R\frac{v^2}{R} = \omega^2 R, где ω\omega — угловая скорость враценя. Поэтому

14πε0(QqR2−q2(2R)2)=mω2R.\frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \left( \frac{Qq}{R^2} - \frac{q^2}{(2R)^2} \right) = m\omega^2 R.

Отсюда

ω=14πε0(QqR2−q24R2)1mR=\omega = \sqrt{\frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \left( \frac{Qq}{R^2} - \frac{q^2}{4R^2} \right)} \frac{1}{mR} =

=14R1πε0mR(4Qq−q2).= \frac{1}{4R} \sqrt{\frac{1}{\pi\varepsilon_0 mR}} \left( 4Qq - q^2 \right).

Кинетическая энергия системы рана сумме kineticских энергий зарядов qq:

Wкиин=2mv22=m(ωR)2=W_{\text{киин}} = 2 \frac{mv^2}{2} = m(\omega R)^2 =

=116πε0R(4Qq−q2).= \frac{1}{16\pi\varepsilon_0 R} \left( 4Qq - q^2 \right).

Потенциальная энергия системы численно равна работе, необходимой для переосназов qq из бесконечности на расстояние RR от заряда QQ. Для переосназов одного из зарядов в поле заряда QQ необходимо совершить работу

A1=−φ⋅q=−14πε0QRq,A_1 = -\varphi \cdot q = -\frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \frac{Q}{R} q,

(ф — потенциаль поля заряда QQ на расстояние RR от заряда), а для переосназов второго заряда (телеръ уже в поле зарядов QQ и qq) необходимо совершить работу

A2=−14πε0QRq+14πε0q2Rq.A_2 = -\frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \frac{Q}{R} q + \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \frac{q}{2R} q.

Позному потенциальная энергия системы равна

Wпот=A1+A2=W_{\text{пот}} = A_1 + A_2 =

=14πε0(q22R−2QqR),= \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \left( \frac{q^2}{2R} - 2 \frac{Qq}{R} \right),

и

WкиинWпот=−12.\frac{W_{\text{киин}}}{W_{\text{пот}}} = -\frac{1}{2}.

Задача 5. Заряженная частница массы mm врачаемся вокруг заряда QQ по эллиптической орбите (рис. 6). Заряд частцы равен qq. Миниальное расстояние между зарядом QQ и частцией равно rr, а максимальное — RR. За какое время TT частница делаем полный оборот вокруг заряда QQ?

Решение. Сила, с которой заряд QQ действует на частцу с заряда-

41

и на расстоянии ll от него заряд +q+q (рис. 7). Заряд qq отпускают. Какую максимальную скорость он получит?

Решение. На заряд qq действуют две силы — сила F1F_1 взимодейства с зарядом QQ: F1=14πε0Qqx2F_1 = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \frac{Qq}{x^2} (х — расстояние между зарядами), и сила F2F_2 взимодейства с полем EE:

F2=Eq.F_2 = Eq.

Если в начальной момент F1>F2F_1 > F_2, то есть 14πε0qQl2>Eq\frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \frac{qQ}{l^2} > Eq, то после того, как заряд qq отпускили, он будет движаться вправа, а если F1<F2F_1 < F_2 —лево. Расстоярим для определенияости случай F1>F2F_1 > F_2. Разнодействующая сила F1F_1 и F2F_2 сообщает заряду qqускорение a=F1+F2ma = \frac{F_1 + F_2}{m}, направленное в начале движения по линии действия силы F1F_1 (a=F1−F22a = \frac{F_1 - F_2}{2}). Сила F2F_2 не зависит от положения заряда, а сила F1F_1 убивает с увеличением расстояния между зарядами. Когда величины F2F_2, разнодействующая сила F1F_1 и F2F_2 будет направлена к заряду QQ и будет вызывать уменьшенное скорости заряда qq. Очевидно, что скорость заряда qq максимальная, когда F1=F2F_1 = F_2, то есть при

14πε0Qqx2=Eq.\frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \frac{Qq}{x^2} = Eq.

Расстояние между зарядами qq и QQ в этот момент равно

x1=Q4πε0E.x_1 = \sqrt{\frac{Q}{4\pi\varepsilon_0 E}}.

Чтобы найти скорость заряда qq в этот момент времени, воспользуемся законом сохранения энергии:

−ΔWпот=ΔWкини-\Delta W_{\text{пот}} = \Delta W_{\text{кини}}

или

(φ1−φ2)q=mv22,(\varphi_1 - \varphi_2)q = \frac{mv^2}{2},

где φ1\varphi_1, φ2\varphi_2 — потенциальы точек x=lx = l и x=x1x = x_1. Но

φ1−φ2=−E(x1−l)+\varphi_1 - \varphi_2 = -E(x_1 - l) +

Рис. 7.

+(Q4πε0l−Q4πε0x1)=+\left(\frac{Q}{4\pi\varepsilon_0}l - \frac{Q}{4\pi\varepsilon_0 x_1}\right) =

=(x1−l)(−E+Q4πε0x1)== (x_1 - l)\left(-E + \frac{Q}{4\pi\varepsilon_0 x_1}\right) =

=(Q4πε0E−l)(−E+1lQE4πε0).= \left(\sqrt{\frac{Q}{4\pi\varepsilon_0 E}} - l\right)\left(-E + \frac{1}{l}\sqrt{\frac{QE}{4\pi\varepsilon_0}}\right).

Постому

v=2qm(Q4πε0E−l)×(−E+1lQE4πε0).v = \sqrt{\frac{2q}{m}\left(\sqrt{\frac{Q}{4\pi\varepsilon_0 E}} - l\right)} \times \sqrt{\left(-E + \frac{1}{l}\sqrt{\frac{QE}{4\pi\varepsilon_0}}\right)}.

Уражнения

  1. Во сколько раз изменится период колебаний математического матрика, если его шарик массы mm зарядить зарядом qq и магнит поместить в однородное электрическое поле с напряженностью EE (поле вертикально или горизонтально)?
  2. При какой минимальной относительной скорости протоны, находящиеся на расстоянии l1=5l_1 = 5 см друг от друга, могут сблизиться до расстояния l2=10−4l_2 = 10^{-4} см?
  3. Одна из пластин плоского конденсатора с расстоянием между пластинами d=10d = 10 мм «освещается»RENTенским лучами, вырывающим из нее фоотэлектроны, имеющие скорость v=106v = 10^6 м/с. Электроны сбираются на второй пластине. Через какое время фооток прекратиется, если с каждой квадратаного сантиметра пластины вырывается n=1013n = 10^{13} электронов в секунду?
  4. В заряженной закрепленной сфере радиуса RR имеется маленькое отверстие, через которое в нее влетает заряд qq, движущийся вдоль радиуса сферы. Какую скорость будет иметь этот заряд в центре сферы, если на расстоянии ll от сферы его скорость равна vv и заряд сферы равен QQ?