D.3 · Chuyển động trong điện từ trường

Tài liệu này bao gồm các chủ đề SL đã chọn cho khóa học lần đầu đánh giá trong 2025; đây không phải là toàn bộ chương trình.

Điều kiện tiên quyết: đọc các đại lượng và đơn vị được nêu, và sử dụng phép toán cùng các điều kiện mô hình bên dưới.

Các ví dụ là gốc và hư cấu: chúng không phải là số đo thực tế hay các cuộc điều tra của học sinh thực tế.

Giải thích hiện tượng này là gì?

• Một hạt mang điện chuyển động cong trong từ trường đều. Chiều chuyển động thay đổi mặc dù lực từ đơn thuần không làm tăng động năng của hạt.

Xây dựng mô hình

• Độ lớn lực từ là F = |q|vB sinθ.
• Lực vuông góc với vận tốc và từ trường, với chiều phụ thuộc vào dấu của điện tích.
• Khi đi vào từ trường đều vuông góc, lực này có thể đóng vai trò là lực hướng tâm cho chuyển động tròn.
• Lực từ: Lực do từ trường tác dụng lên điện tích chuyển động hoặc dòng điện.
• Động lượng: Tích của khối lượng và vận tốc trong mô hình cổ điển.

Chọn bằng chứng để kiểm định mô hình

• Đẳng thức lực từ với mv²/r để suy ra r = mv/(|q|B) đối với chuyển động vuông góc.
• Từ trường mạnh hơn tạo bán kính nhỏ hơn ở cùng một giá trị động lượng.
• Đi vào song song tạo ra lực từ bằng không trong mô hình này.

Trong phòng thí nghiệm: Vẽ vận tốc, từ trường và lực thành các mũi tên riêng biệt theo quy ước vào/ngô ra trang giấy đã cho. Sử dụng dữ liệu chùm tia cung cấp hoặc mô phỏng. Không coi chiều dòng điện trong dây dẫn giống hệt với chiều chuyển động của electron.

Bắt đầu từ các đại lượng đã biết

• Đã biết: một hạt có m = 2.0×10⁻²⁷ kg, v = 3.0×10⁶ m/s, |q| = 1.0×10⁻¹⁹ C và B = 0.20 T. r = mv/(|q|B) = 0.30 m.
• Phép tính này giả định chuyển động phi tương đối tính và đi vào vuông góc.

Lần đến lượt bạn: Sử dụng công thức r = mv/(|q|B). Với m=2×10⁻²⁷ kg, v=2×10⁶ m/s, |q|=1×10⁻¹⁹ C và B=0.20 T, hãy tìm r.

Kiểm tra kết luận và giới hạn của nó

• Lực từ có thể làm thay đổi hướng động lượng mà không sinh công.
• Việc thêm điện trường có thể thay đổi năng lượng, nên các kết luận chỉ dựa vào từ trường đơn thuần không bao quát hết mọi thiết bị kết hợp cả hai trường.

Không đúng: Từ lực đơn thuần liên tục làm tăng động năng của một hạt mang điện. Một lực vuông góc với vận tốc không thực hiện công (công = lực × quãng đường DÃY THEO phương của lực), do đó từ trường đơn thuần không thể thay đổi động năng của hạt - chỉ làm thay đổi hướng chuyển động. Việc gia tốc cần thành phần trường dọc theo chuyển động, điều này chỉ điện trường mới cung cấp được.

Tóm tắt:

• Độ lớn lực từ là F = |q|vB sinθ.
• Đẳng thức lực từ với mv²/r để suy ra r = mv/(|q|B) đối với chuyển động vuông góc.
• Lưu ý: Từ lực có thể thay đổi hướng động lượng mà không thực hiện công.

Viết từ một bán quỹ đạo 0.50 m

• Sử dụng r = mv chia cho tích giữa độ lớn điện tích và cường độ từ trường.
• Lấy m = 2 × 10⁻^27 kg, v = 2 × 10^6 m/s, độ lớn điện tích 1 × 10⁻^19 C và B = 0.08 T. Lực từ vuông góc với vận tốc không thực hiện công.

Viết từ bán kính gấp đôi

• Cùng một hạt đi vào cùng một trường nhưng ở nửa cường độ.
• r = mv ÷ (qB), nên khi giảm B đi một nửa thì bán kính GẤP ĐÔI — quỹ đạo xoắn ốc giãn ra khi trường yếu đi.

Viết từ chu kỳ không phụ thuộc tốc độ

• Một hạt nhanh và một hạt chậm có khối lượng bằng nhau quay trong cùng một trường.
• T = 2πm ÷ (qB) không chứa v: vật di chuyển nhanh hơn sẽ đi theo vòng tròn lớn hơn nhưng trong CÙNG một khoảng thời gian.