Τεστ στο Μαγνητικό πεδίο (Επίπεδο δυσκολίας: Μέτριο)

Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Ένα στοιχειώδες τμήμα \[Δ\ell\] ενός ρευματοφόρου αγωγού δημιουργεί σε σημείο Α που απέχει απ’ αυτό απόσταση \[r\] μαγνητικό πεδίο έντασης \[Δ\vec{B}\] που η διεύθυνσή της:

Δύο σωληνοειδή (1), (2) συνδέονται σε σειρά και το σύστημά τους συνδέεται με πηγή που έχει ΗΕΔ \[\mathcal{E}\] και εσωτερική αντίσταση \[r\]. Για τον αριθμό των σπειρών και τα μήκη των σωληνοειδών ισχύει: \[Ν_2=2Ν_1\] και \[\ell_2=\frac{\ell_1}{2}\]. Για τα μέτρα των εντάσεων των μαγνητικών πεδίων τους στο εσωτερικό τους \[Β_1,\, Β_2\] ισχύει:

Ο αγωγός του παρακάτω σχήματος διαρρέεται από ρεύμα έντασης \[Ι\]. Ένα στοιχειώδες τμήμα \[Δ\ell\] του αγωγού έχει αποστάσεις \[r_1\, , \, r_2\] απ’ τα σημεία Α, Γ αντίστοιχα. Οι αποστάσεις αυτές είναι κάθετες μεταξύ τους και ίσες \[(r_1=r_2)\]. Tα διανύσματα \[Δ\vec{\ell}\, , \, \vec{r}_1\] σχηματίζουν μεταξύ τους γωνία \[θ_1=30^0\]. Τότε για τα διανύσματα των εντάσεων \[Δ\vec{Β}_A\, , \, Δ\vec{B}_Γ\] που οφείλονται στο στοιχειώδες τμήμα \[Δ\ell\] στα σημεία Α, Γ αντίστοιχα ισχύει:

Πρωτόνιο εισέρχεται σε ομογενές μαγνητικό πεδίο με ταχύτητα \[ \vec{υ} \] που είναι κάθετη στις δυναμικές γραμμές του. Το πρωτόνιο εκτελεί κυκλική κίνηση ακτίνας \[R_1\] και περιόδου \[Τ_1\]. Αν το πρωτόνιο εισέρχονταν στο ίδιο πεδίο με ταχύτητα ίδιας κατεύθυνσης αλλά διπλάσιου μέτρου τότε θα εκτελούσε κυκλική κίνηση ακτίνας \[R_2\] και περιόδου \[Τ_2\]. Ποια απ’ τις παρακάτω σχέσεις είναι σωστή;

Ένα πρωτόνιο με φορτίο \[q_p\] και μάζα \[m_p\] και ένα σωμάτιο \[α\] με φορτίο \[q_α=2q_p\] και μάζα \[m_α=4m_p\] εισέρχονται σε ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης \[\vec{B}\] με ταχύτητες ίσων μέτρων \[υ_p=υ_α=υ\] που σχηματίζουν με τις δυναμικές γραμμές του πεδίου γωνίες \[φ_p = \frac{π}{3}\] και \[φ_α = \frac{π}{6}\] αντίστοιχα. Τα δύο σωματίδια εκτελούν ελικοειδή κίνηση με ακτίνες και βήματα \[R_p\, , \, β_p\] και \[ R_α \, , \, β_α\] αντίστοιχα. Οι βαρυτικές δυνάμεις αμελούνται. Ο λόγος των ακτίνων των κυκλικών τροχιών τους \[ \frac{R_p}{ R_α}\] είναι:

Δύο φορτισμένα σωματίδια \[(1)\, , \, (2)\] έχουν ίσες μάζες \[m\] και φορτίο \[|q_1 |=2|q_2 |\] με \[ q_1 0 \]. Τα σωματίδια εισέρχονται ταυτόχρονα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο με ταχύτητες ίδιων κατευθύνσεων και με μέτρα \[υ_1 = 3 υ_2\] αντίστοιχα που είναι κάθετες στο όριο \[yy'\] του πεδίου και στις δυναμικές γραμμές του όπως φαίνεται στο σχήμα. Τα σωματίδια εξέρχονται απ’ το ίδιο όριο του πεδίου και τα σημεία εξόδου τους απέχουν μεταξύ τους απόσταση \[d\]. Οι βαρυτικές και οι ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις θεωρούνται αμελητέες. Τη στιγμή που από το πεδίο εξέρχεται το σωματίδιο που έχει τη μικρότερη συχνότητα κυκλικής κίνησης, τότε η απόσταση των δύο σωματιδίων είναι: \[(π^2=10)\]

Δύο πρωτόνια \[(1)\, , \, (2)\] με φορτίο \[q_p\] και μάζα \[m_p\] εισέρχονται απ’ το σημείο Γ του ορίου \[xx'\] του ομογενούς μαγνητικού πεδίου έντασης \[\vec{B}\] με ίδιες κατά μέτρο ταχύτητες \[υ_1=υ_2=υ\] που οι διευθύνσεις τους είναι κάθετες στις δυναμικές γραμμές του μαγνητικού πεδίου. Το πρωτόνιο \[(1)\] έχει ταχύτητα \[υ_1\] που σχηματίζει γωνία \[φ=30^0\] με το όριο \[xx'\] ενώ η ταχύτητα του πρωτονίου \[(2)\] \[υ_2\] είναι κάθετη στο όριο \[xx'\] όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Τα πρωτόνια δέχονται μόνο τη δύναμη Lorentz του μαγνητικού πεδίου. Τα πρωτόνια εξέρχονται απ’ τα σημεία Δ, Ε του ορίου \[xx'\]. Διερευνήστε σε ποιο απ’ τα πρωτόνια αντιστοιχεί το κάθε σημείο εξόδου. Αν το πρωτόνιο \[(1)\] παραμένει στο πεδίο για χρόνο \[t_{π_1 }\] και το δεύτερο για χρόνο \[t_{π_2}\] ισχύει:

Στο παρακάτω σχήμα έχουμε δύο ομογενή μαγνητικά πεδία \[(1)\, , \, (2)\] εντάσεων \[\vec{B}_1\, , \, \vec{Β}_2\] αντίστοιχα που έχουν τις δυναμικές γραμμές τους παράλληλες και διαχωρίζονται μεταξύ τους μέσω του άξονα \[yy'\]. Θετικά φορτισμένο σωματίδιο φορτίου \[q\] και μάζας \[m\] εισέρχεται στο πεδίο \[(1)\] απ’ το σημείο Γ του άξονα \[yy'\] με ταχύτητα \[\vec{υ}\] κάθετη στον \[yy'\] και στις δυναμικές γραμμές όπως φαίνεται στο σχήμα. Τα πεδία έχουν μεγάλη έκταση στα δύο ημιεπίπεδα που χωρίζει ο άξονας \[yy'\]. Το φορτίο εξέρχεται απ’ το πεδίο \[(1)\] για πρώτη φορά απ’ το σημείο Δ του άξονα ενώ εισέρχεται ξανά στο πεδίο \[(1)\] απ’ το σημείο Ε για το οποίο ισχύει \[ΓΕ=6R_1\] όπου \[R_1\] η ακτίνα της κυκλικής τροχιάς του φορτίου στο πεδίο \[(1)\]. Βαρυτικές δυνάμεις αμελητέες. Αν η πρώτη παραμονή του φορτίου στο πεδίο \[(1)\] διαρκεί \[Δt_1\], τότε στο πεδίο \[(2)\] θα διαρκεί \[Δt_2\] όπου:

Δύο ισότοπα άτομα του υδρογόνου, το πρώτιο \[_1^1 H\] και το δευτέριο \[_1^2Η\] αφού ιονιστούν, αποκτούν θετικό φορτίο \[+e\] και εισέρχονται ταυτόχρονα σε φασματογράφο μάζας. Το φίλτρο ταχυτήτων του αποτελείται από ένα ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης \[\vec{B}\] και ένα ομογενές ηλεκτρικό πεδίο έντασης \[E\]. Πρώτα περνούν απ’ το φίλτρο ταχυτήτων χωρίς να αποκλίνουν της αρχικής τους ταχύτητας και κατόπιν εισέρχονται στο ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης \[\vec{B}'\] κάθετα στις δυναμικές γραμμές του. Τα δύο σωματίδια αφού εκτελέσουν ημικυκλικές τροχιές στο μαγνητικό πεδίο \[\vec{B}'\] πέφτουν πάνω στη φωτογραφική πλάκα και αφήνουν ίχνος σε απόσταση \[d\]. Θεωρούμε τη μάζα του πρωτονίου ίση με αυτή του νετρονίου \[(m_p=m_n )\]. Για τις ταχύτητες εισόδου των σωματιδίων στο φίλτρο ταχυτήτων μπορούμε να συμπεράνουμε ότι:

Ποιες απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές; Ευθύγραμμος ρευματοφόρος αγωγός μήκους \[\ell\] διαρρέεται από ρεύμα έντασης \[Ι\] και βρίσκεται μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης \[B\].

Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Με το πείραμά του ο Thomson κατάφερε να μετρήσει:

\[1\] Ampere είναι η ένταση του ρεύματος που πρέπει να διαρρέει δύο ευθύγραμμους ρευματοφόρους αγωγούς απείρου μήκους που βρίσκονται στο κενό σε απόσταση \[1\, m\] ο ένας απ’ τον άλλο ώστε ο ένας ν’ ασκεί στον άλλο δύναμη ανά μέτρο μήκους του κάθε αγωγού με μέτρο ίσο με:

Φορτισμένο σωματίδιο μάζας \[m\], φορτίου \[q\] εισέρχεται σε ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης μέτρου \[B\] με ταχύτητα μέτρου \[υ\] κάθετα στις δυναμικές γραμμές. Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές; Για το ρυθμό μεταβολής της κινητικής ενέργειας \[\frac{ΔΚ}{Δt}\] του σωματιδίου και το μέτρο του ρυθμού μεταβολής της ορμής του \[\left| \frac{Δ\vec{p} }{ Δt } \right| \] αν το σωματίδιο δέχεται μόνο τη δύναμη Lorentz \[F_{Lo}\] απ’ το πεδίο ισχύει:

Στο παρακάτω σχήμα φαίνονται τρεις κλειστές διαδρομές \[S_1\, ,\, S_2\, , \, S_3\] που περικλείουν ρευματοφόρους αγωγούς με ρεύμα εντάσεων \[Ι_1\, , \, Ι_2\, , \, Ι_3\, , \, Ι_4\]. Στο σχήμα φαίνονται οι φορές των ρευμάτων και οι φορές διαγραφής των διαδρομών. Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Τα αθροίσματα \[∑B\cdot Δ\ell \cdot συνθ \] για τις κλειστές διαδρομές \[S_1\, , \, S_2\] είναι μηδενικά. Το άθροισμα \[ ∑ B \cdot Δ\ell \cdot συνθ \] για τη διαδρομή \[S_3\] είναι ίσο με:

Φορτισμένο σωματίδιο φορτίου \[q\] και μάζας \[m\] βάλλεται από σημείο Γ ενός ομογενούς μαγνητικού πεδίου έντασης \[\vec{B}\] και ασκείται σ’ αυτό μόνο η δύναμη απ’ το πεδίο αυτό. Η ταχύτητα βολής του \[\vec{υ}\] σχηματίζει γωνία \[φ\] με τις δυναμικές γραμμές του πεδίου. Σε χρονικό διάστημα \[Δt=2T\], το μήκος της τροχιάς που διαγράφει είναι \[s_1\], ενώ στον άξονα τον παράλληλο με τις δυναμικές γραμμές έχει μετατοπιστεί κατά \[Δx_1\]. Ο λόγος \[\frac{s_1}{Δx_1}=\frac{2\sqrt{3}}{3} \]. Αν \[R\] είναι η ακτίνα της ελικοειδούς τροχιάς του, τότε ο λόγος \[\frac{s_1}{R}\] είναι:

Ένα πρωτόνιο \[p\] μάζας \[m_p\] και φορτίου \[e\] και ένα σωμάτιο \[α\] μάζας \[m_α=4m_p\] και φορτίου \[q_α=2e\] όπου \[e\] το στοιχειώδες θετικό φορτίο εισέρχονται ταυτόχρονα απ’ το ίδιο σημείο Γ με ταχύτητες \[\vec{υ}_α\, , \, \vec{υ}_p \] σε ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης \[\vec{Β}\] έτσι ώστε οι ταχύτητές τους να είναι κάθετες στις δυναμικές γραμμές του πεδίου και στο όριό του που είναι η ευθεία \[xx'\] όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Τα σωματίδια δέχονται μόνο τις δυνάμεις απ’ το μαγνητικό πεδίο που εκτείνεται σε μεγάλη απόσταση πάνω απ’ το όριο του \[xx'\]. Κατά την είσοδό τους στο πεδίο έχουν ίσες κινητικές ενέργειες \[(K_p=K_α )\]. Για τα μέτρα των ρυθμών μεταβολής της ορμής των δύο σωματιδίων κατά την παραμονή τους στο μαγνητικό πεδίο ισχύει:

Δύο σωληνοειδή (1), (2) έχουν αντιστάσεις \[R_{Σ_1}\] και \[R_{Σ_2}\] με \[R_{Σ_1}=2R_{Σ_2}\] αντίστοιχα. Τα σωληνοειδή έχουν αριθμό σπειρών ανά μονάδα μήκους \[n_1,\, n_2\] αντίστοιχα και συνδέονται παράλληλα. Στα άκρα του συστήματός τους συνδέουμε πηγή με ΗΕΔ \[\mathcal{E}\] και εσωτερική αντίσταση \[r\] όπως φαίνεται στο διπλανό σχήμα. Στο εσωτερικό των σωληνοειδών η ένταση των μέτρων του μαγνητικού πεδίου του καθενός έχει μέτρο \[B_1,\, Β_2\] αντίστοιχα και ισχύει \[\frac{B_1}{B_2} =2\]. Ο λόγος \[\frac{n_1}{n_2}\] είναι ίσος με:

Το θετικά φορτισμένο σωματίδιο του παρακάτω σχήματος μάζας \[m\] και φορτίου \[q\] εισέρχεται κάθετα στις δυναμικές γραμμές ομογενούς μαγνητικού πεδίου και κάθετα στο όριο του πεδίου (ευθεία \[ xx'\]). Σε απόσταση \[d\] απ’ την ευθεία \[xx'\] και σε επίπεδο παράλληλο σ’ αυτή έχουμε τοποθετήσει φωτογραφική πλάκα. Το σωματίδιο εισέρχεται στο πεδίο με κινητική ενέργεια \[Κ\] και επιδρά σ’ αυτό μόνο η δύναμη του μαγνητικού πεδίου. Για να μη χτυπήσει το σωματίδιο στη φωτογραφική πλάκα πρέπει να ισχύει για το μέτρο \[B\] της έντασης του μαγνητικού πεδίου:

Ο ευθύγραμμος αγωγός ΚΛ του παρακάτω σχήματος διαρρέεται από ρεύμα \[Ι\]. Ένα σημείο Α βρίσκεται στην προέκταση του αγωγού ΚΛ και απέχει \[r\] απ’ το στοιχειώδες τμήμα του \[Δ\ell\]. Ποια από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Η ένταση \[Δ\vec{B}\] στο σημείο Α του τμήματος ΚΑ έχει μέτρο:

Στο παρακάτω σχήμα από μια κλειστή διαδρομή που ταυτίζεται με το επίπεδο της σελίδας περνούν τέσσερις ρευματοφόροι αγωγοί που διαρρέονται από ρεύματα εντάσεων \[Ι_1=Ι_2=Ι_3=Ι_4\]. Έξω απ’ τη διαδρομή \[S\] υπάρχει πέμπτος ρευματοφόρος αγωγός έντασης \[Ι_5=2Ι_1\]. Οι φορές των ρευμάτων φαίνονται στο παρακάτω σχήμα. Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Αν μ_0 η μαγνητική διαπερατότητα του κενού, το άθροισμα \[∑B\cdot Δ\ell\cdot συνθ\] είναι ίσο με:

Στο παρακάτω σχήμα έχουμε δύο ομογενή μαγνητικά πεδία \[(1)\, , \, (2)\] με εντάσεις \[\vec{B}_1\, , \, \vec{B}_2\] αντίστοιχα που έχουν τις δυναμικές γραμμές τους παράλληλες. Τα δύο πεδία χωρίζονται απ’ τον άξονα \[x' x\] και εκτείνονται σε μεγάλη απόσταση στα δύο ημιεπίπεδα που ορίζει ο άξονας αυτός. Αρνητικά φορτισμένο σωματίδιο φορτίου \[q\] και μάζας \[m\] εισέρχεται την \[t=0\] στο πεδίο \[(1)\] απ’ το σημείο Γ του άξονα \[x' x\] με ταχύτητα \[υ\] κάθετη στις δυναμικές γραμμές του πεδίου και στον άξονα \[x' x\]. Τη στιγμή \[t_1\] εξέρχεται απ’ το πεδίο \[(1)\], κινείται μέσα στο πεδίο \[(2)\] και τη στιγμή \[t_2\] φτάνει πάλι στο όριο \[x' x\] των δύο πεδίων στο σημείο Δ. Για τις χρονικές στιγμές \[t_1\, ,\, t_2\] ισχύει \[t_2 = 4 t_1\]. Η απόσταση ΓΔ είναι ίση με:

Φορτισμένο σωματίδιο μάζας \[m\] και φορτίου \[q < 0\] εισέρχεται σε ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης \[Β\] που εκτείνεται σε μεγάλη απόσταση πάνω απ’ το όριό του που είναι η ευθεία \[x' x\]. Το σωματίδιο εισέρχεται απ’ το όριο \[x' x\] με ταχύτητα \[\vec{υ}\] που σχηματίζει γωνία \[φ=30^0\] με το όριο \[x' x\] και είναι κάθετη στις δυναμικές γραμμές του πεδίου. Οι βαρυτικές δυνάμεις αμελούνται. Ο χρόνος παραμονής του σωματιδίου στο πεδίο είναι:

Στο παρακάτω σχήμα οι οριζόντιοι ευθύγραμμοι αγωγοί (1), (2) έχουν μάζες \[m_1=m\] και \[m_2=2m\] αντίστοιχα, ίδιο μήκος \[\ell\] και αντιστάσεις \[R_1=R\] και \[R_2=2R\]. Οι αγωγοί συγκρατούνται ώστε τα άκρα τους να είναι σε επαφή με τους λείους κατακόρυφους αγωγούς \[Αy\] και \[Γy_1\] που έχουν αμελητέα αντίσταση. Ο αγωγός (1) βρίσκεται σε οριζόντιο μαγνητικό πεδίο έντασης \[\vec{B}_1\] και ο αγωγός (2) σε αντίστοιχο πεδίο έντασης \[\vec{B}_2\]. Οι δυναμικές γραμμές των δύο πεδίων είναι κάθετες στο επίπεδο που δημιουργούν οι τέσσερις αγωγοί και οι φορές των εντάσεών τους φαίνονται στο σχήμα. Για τα μέτρα των εντάσεων ισχύει \[B_2=2B_1\]. Τα άκρα Α, Γ των κατακόρυφων αγωγών συνδέονται με ιδανική πηγή που έχει ΗΕΔ \[\mathcal{E}\]. Την \[t=0\] αφήνουμε τους αγωγούς ελεύθερους και παρατηρούμε ότι ο αγωγός (1) παραμένει ακίνητος.

Ένα πρωτόνιο \[p\] μάζας \[m_p\] και φορτίου \[e\] και ένα σωμάτιο \[α\] μάζας \[m_α=4m_p\] και φορτίου \[q_α=2e\] όπου \[e\] το στοιχειώδες θετικό φορτίο εισέρχονται ταυτόχρονα απ’ το ίδιο σημείο Γ με ταχύτητες \[\vec{υ}_α\, , \, \vec{υ}_p \] σε ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης \[\vec{Β}\] έτσι ώστε οι ταχύτητές τους να είναι κάθετες στις δυναμικές γραμμές του πεδίου και στο όριό του που είναι η ευθεία \[xx'\] όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Τα σωματίδια δέχονται μόνο τις δυνάμεις απ’ το μαγνητικό πεδίο που εκτείνεται σε μεγάλη απόσταση πάνω απ’ το όριο του \[xx'\]. Κατά την είσοδό τους στο πεδίο έχουν ίσες ορμές \[\vec{p}_p = \vec{p}_α \]. Τα σωματίδια εκτελούν κυκλικές τροχιές ακτίνων \[ R_1\, , \, R_2\] και παραμένουν στο πεδίο για χρονικά διαστήματα \[ Δt_1 \, , \, Δt_2\] αντίστοιχα. Για τα πηλίκα των ακτίνων και των χρονικών διαστημάτων ισχύει:

Κυκλικός αγωγός συνδέεται με τάση \[V\] και το μαγνητικό πεδίο στο κέντρο του έχει ένταση μέτρου \[B\]. Με το σύρμα του αγωγού αυτού φτιάχνω κυκλικό πλαίσιο που αποτελείται από \[5\] ομοεπίπεδους και ομόκεντρους αγωγούς ίδιων μεταξύ τους ακτίνων. Για να είναι το μέτρο της έντασης του μαγνητικού πλαισίου ίσο με \[Β\] πρέπει στα άκρα του να εφαρμόσω τάση \[V'\] για την οποία ισχύει:

Απ’ την πυρακτωμένη κάθοδο της πειραματικής διάταξης του Thomson εκπέμπονται ηλεκτρόνια με αμελητέα ταχύτητα και επιταχύνονται υπό τάση \[V\] και κατόπιν εισέρχονται σε φίλτρο ταχυτήτων με ταχύτητα μέτρου \[υ\]. Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Για να διπλασιάσουμε το μέτρο της ταχύτητας εισόδου στο φίλτρο ταχυτήτων πρέπει η τάση που επιταχύνει τα ηλεκτρόνια να γίνει:

Ποιες απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές; Σύμφωνα με το νόμο του Laplace: Το μέτρο της δύναμης Laplace που ασκείται από ένα ομογενές μαγνητικό πεδίο σε έναν ευθύγραμμο ρευματοφόρο αγωγό:

Οι τρεις κατακόρυφοι αγωγοί διαρρέονται από ρεύματα \[Ι_1=3Ι\, , \, Ι_2=5Ι\, , \, Ι_3=2Ι \] που οι φορές τους φαίνονται στο σχήμα. Ποια απ’ τις επόμενες προτάσεις είναι σωστή; Αν \[μ_0\] η μαγνητική διαπερατότητα του κενού, επιλέγοντας την περιπλεκόμενη κλειστή διαδρομή που περιβάλλει τους τρεις αγωγούς, το άθροισμα \[∑B\cdot Δ\ell \cdot συνθ\] στη διαδρομή αυτή ισούται με:

Η κάθετη τομή ομογενούς μαγνητικού πεδίου έντασης \[Β\] είναι το τετράγωνο ΚΛΜΝ πλευράς \[α\]. Ένα ηλεκτρόνιο εισέρχεται στο πεδίο απ’ την κορυφή Κ με ταχύτητα \[\vec{υ}\] που η διεύθυνσή της ταυτίζεται με το όριο ΚΛ. Το ηλεκτρόνιο εξέρχεται απ’ την κορυφή Μ του τετραγώνου και κατά την κίνησή του οι βαρυτικές δυνάμεις αμελούνται. Το φορτίο του ηλεκτρονίου είναι \[-e\] (όπου \[e\] το στοιχειώδες θετικό φορτίο) και η μάζα του \[m_e\]. Το μέτρο της μεταβολής της ορμής του ηλεκτρονίου λόγω της παραμονής του στο πεδίο \[ \left| Δ\vec{p} \right|\] είναι: