Cząstki naładowane w polu elektrycznym |
Siła działająca na ładunek umieszczony w polu elektrycznym o natężeniu określona jest wzorem.
(2.1.1) |
gdzie znak ładunku może być dodatni bądź ujemny. Kierunek siły zgodny jest z kierunkiem wektora natężenia pola, a zwrot zależny jest od znaku ładunku.
Zapiszmy równania Newtona dla tego przypadku. Pamiętamy, że , gdzie jest masą cząstki, a jest jej przyspieszeniem. Z kolei, przyspieszenie jest drugą pochodną wektora położenia i pierwszą pochodną wektora prędkości względem czasu. Wektory te mogą mieć dowolną orientację w przestrzeni. Równanie ruchu ma więc postać.
. |
(2.1.2) |
Określmy warunki początkowe dla naszego przypadku.
Przyjmijmy, że wektor natężenia pola skierowany jest wzdłuż osi Z,
czyli jego składowe można
zapisać jako .
Składowe wektora położenia i prędkości przyjmijmy za dowolne i
oznaczmy je dla chwili czasu
symbolami
oraz.
Ilustruje to rysunek 2.1.1.
Rys.2.1.1 Wektory: położenia, prędkości i pola elektrycznego |
Równania Newtona dla poszczególnych składowych oraz ich rozwiązania mają więc postać.
(2.1.3) |
Zauważamy, że ruch w każdym z kierunków jest niezależny od ruchów w kierunkach pozostałych. Jeśli więc wszystkie prędkości początkowe równe będą zeru, to ruch będzie odbywał się tylko w kierunku zgodnym z kierunkiem wektora natężenia pola, czyli w naszym przypadku w kierunku osi Z. Będzie to ruch jednostajnie przyspieszony, jednowymiarowy. Przyspieszenie w tym ruchu zapisać więc można w postaci skalarnej
(2.1.4) |
bowiem kierunek przyspieszenia w tym ruchu jest także wielkością stałą.
Jeśli ładunek cząstki jest ujemny, to ruch będzie odbywał się w kierunku przeciwnym do kierunku wektora . Jeśli dodatkowo w chwili składowa prędkości w kierunku Z była nierówna zeru i dodatnia to ruch będzie ruchem jednostajnie opóźnionym aż do momentu kiedy ujemny przyrost prędkości będzie równy prędkości początkowej, czyli kiedy . Jeśli w chwili składowa prędkości w kierunku X była nierówna zeru, to ruch w tym kierunku będzie ruchem jednostajnym, prostoliniowym, a cząstka poruszać się będzie w płaszczyźnie (X,Z) - będzie to więc ruch płaski. Zwróćmy tez uwagę, że przyspieszenie w tym ruchu określa czynnik wyrażający proporcjonalność przyspieszenia cząstki do wartości natężenia pola i ładunku cząstki i odwrotną proporcjonalność do jej masy.
Rozważania nasze możesz teraz sprawdzić samemu za pomocą przygotowanego w tym celu interaktywnego testu graficznego.
Rozważmy bliżej ruch elektronu w polu elektrycznym. Ładunek elektronu wynosi (porównaj z tablicami stałych fizycznych) , a jego masa ; stosunek ładunku elektronu do jego masy wynosi . Natężenie pola wyrazić możemy w niutonach na kulomb lub, co jest równoważne, w woltach na metr. Wymiar wyrażenia jest więc . W układzie SI wyrażenie to możemy więc zapisać dla elektronu w postaci
(2.1.5) |
Wyraziliśmy to w metrach na nanosekundę do kwadratu, bo w praktycznych zastosowaniach wygodniej będzie wyrażać czas ruchu elektronu w nanosekundach.
MS-Excel | Interaktywny test graficzny |
Kliknij w polu rysunku. |
Rys.2.1.2. Przykład ruchu cząstki w polu elektrycznym. |