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 ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 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. |