Τεστ στο Μαγνητικό πεδίο (Επίπεδο δυσκολίας: Μέτριο)

Τρεις κατακόρυφοι και ομοεπίπεδοι αγωγοί (1), (2), (3) διαρρέονται από ρεύματα ίσων εντάσεων που οι φορές τους φαίνονται στο διπλανό σχήμα. Η απόσταση του κάθε αγωγού απ’ τον γειτονικό του είναι \[r\]. Η συνολική δύναμη που δέχεται ένα τμήμα μήκους \[\ell\] του αγωγού (2) απ’ τους άλλους δύο έχει μέτρο \[F\]. Τότε η συνολική δύναμη ανά μονάδα μήκους που δέχεται ένα τμήμα μήκους \[\ell\] του αγωγού (3) είναι:

Στο παρακάτω σχήμα φαίνονται οι κάθετες τομές δύο ομογενών μαγνητικών πεδίων ίδιας έντασης \[\vec{B}\]. Η μια τομή είναι ισόπλευρο τρίγωνο ΑΓΔ πλευράς μήκους \[α_1\] ενώ η άλλη είναι τετράγωνο ΚΛΜΝ με μήκος πλευράς \[α_2\]. Πραγματοποιούμε δύο πειράματα: Πείραμα 1ο: Εισάγουμε στο μαγνητικό πεδίο του σχήματος \[(1)\] απ’ το μέσο Κ του ορίου ΑΓ ένα θετικό ιόν με ταχύτητα μέτρου \[υ\]. Η ταχύτητα είναι κάθετη στην ΑΓ και στις δυναμικές γραμμές του πεδίου. Το ιόν εξέρχεται απ’ το μέσο Λ της πλευράς ΓΔ με ταχύτητα κάθετη στην πλευρά αυτή. Πείραμα 2ο: Εισάγουμε στο μαγνητικό πεδίο του σχήματος 2 απ’ το μέσο Ε της πλευράς ΚΝ το ίδιο ιόν με ίδια κατά μέτρο ταχύτητα που είναι κάθετη στην ΚΝ και στις δυναμικές γραμμές. Το ιόν τώρα εξέρχεται απ’ το μέσο Ζ της πλευράς ΜΝ με ταχύτητα κάθετη στην πλευρά αυτή. Οι βαρυτικές δυνάμεις αμελούνται. Για τα μήκη \[ α_1\, , \, α_2\] των πλευρών του τριγώνου και του τετραγώνου αντίστοιχα ισχύει:

Δύο φορτισμένα σωματίδια \[(1)\, , \, (2)\] έχουν ίδιο ειδικό φορτίο \[\frac{|q|}{m}\] και εισέρχονται μέσα στο ίδιο ομογενές μαγνητικό πεδίο με ταχύτητες κάθετες στις δυναμικές γραμμές τους και με ίσες κατά μέτρο ορμές. Τα σωματίδια εκτελούν ομαλές κυκλικές κινήσεις ακτίνων \[R_1\, , \, R_2\] με \[R_1=2R_2\] με την επίδραση μόνο των δυνάμεων που δέχονται απ’ το μαγνητικό πεδίο. Για τις κινητικές ενέργειες των δύο σωματιδίων \[Κ_1\, ,\, Κ_2\] όταν εισέρχονται στο μαγνητικό πεδίο ισχύει:

Ένα σωμάτιο \[α\] (πυρήνες ηλίου) φορτίου \[q_α\] και μάζας \[m_α\] βάλλεται απ’ το σημείο Γ του ορίου ενός ομογενούς μαγνητικού πεδίου έντασης \[\vec{B}\] με ταχύτητα \[\vec{υ}\] που είναι κάθετη στις δυναμικές γραμμές του πεδίου και σχηματίζει γωνία \[150^0\] με το όριο \[x' x\] του πεδίου όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Το σωμάτιο \[α\] βγαίνει απ’ το μαγνητικό πεδίο απ’ το σημείο Δ του ορίου \[x' x\]. Κατόπιν επαναλαμβάνουμε το ίδιο πείραμα με το σωμάτιο \[α\] να εισέρχεται απ’ το σημείο Γ στο μαγνητικό πεδίο με ίδια κατά μέτρο ταχύτητα που όμως τώρα είναι και κάθετη στις δυναμικές γραμμές και κάθετη στο όριο \[x' x\] του πεδίου. Τώρα το σωματίδιο βγαίνει απ’ το σημείο Ε του ορίου \[x' x\]. Και στα δύο πειράματα στο σωμάτιο \[α\] επιδρά μόνο η δύναμη απ’ το μαγνητικό πεδίο. Σχεδιάστε τις τροχιές του πυρήνα στο ίδιο σχήμα. Η μεταβολή της ορμής του πυρήνα στο πρώτο πείραμα έχει μέτρο:

Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται φορτισμένο σωματίδιο φορτίου \[q\] που εισέρχεται σε επιλογέα ταχυτήτων με ταχύτητα \[\vec{υ}\] κάθετα στις δυναμικές γραμμές και του ομογενούς μαγνητικού πεδίου έντασης \[\vec{B}\] και του ηλεκτρικού πεδίου έντασης \[\vec{E}\]. Το φορτίο δεν εκτρέπεται απ’ την ευθύγραμμη τροχιά του περνώντας απ’ το σύνθετο πεδίο του επιλογέα. Οι βαρυτικές δυνάμεις θεωρούνται αμελητέες. Ποιες απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές;

\[1\] 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:

Το σωληνοειδές του παρακάτω σχήματος α μήκους \[ \ell \] και αριθμού σπειρών \[Ν\] συνδέεται με ιδανική πηγή που έχει ΗΕΔ \[\mathcal{E}\]. Κόβουμε το σωληνοειδές σε δύο ίσα μέρη και το ένα απ’ αυτά το συνδέουμε με την ίδια πηγή (σχ. β). Αν \[Β\] το μέτρο της έντασης στο εσωτερικό του σωληνοειδούς του σχ. α και \[Β'\] του σχήματος Β ισχύει:

Τρία φορτισμένα σωματίδια με φορτία \[q_1\, ,\, q_2\, ,\, q_3\] με \[q_1 > 0\, ,\, q_2 > 0 \, , \, q_3 < 0\] και \[ |q_2 | = |q_3 | = |q_1 |\] εισέρχονται στο όριο \[yy'\] ομογενούς μαγνητικού πεδίου έντασης \[\vec{Β}\] με ταχύτητες ίσου μέτρου που είναι κάθετες στις δυναμικές γραμμές του πεδίου. Οι ταχύτητες των σωματιδίων σχηματίζουν με το όριο \[yy'\] του πεδίου γωνίες \[φ_1=90^0\, , \, φ_2=30^0\, ,\, φ_3=150^0\] αντίστοιχα. Για τα μέτρα \[ F_{Lo_1 }\, ,\, F_{Lo_2}\, ,\, F_{Lo_3 }\] των δυνάμεων Lorentz που δέχονται τα σωματίδια κατά την παραμονή τους στο πεδίο ισχύει η σχέση:

Ένα πρωτόνιο με μάζα \[m_p\] και φορτίο \[q_p\] και ένα σωμάτιο \[α\] (πυρήνας ηλίου \[_2^4He\] με φορτίο \[q_α=2q_p\] και \[m_α=4m_p\] εισέρχονται ταυτόχρονα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης \[\vec{B}\] με ίσες ταχύτητες \[\vec{υ}\] που είναι κάθετες στο όριο \[xx'\] του πεδίου και στις δυναμικές γραμμές του όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Οι βαρυτικές και ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις θεωρούνται αμελητέες. Τα δύο σωματίδια εξέρχονται απ’ το ίδιο όριο του πεδίου και τα σημεία εξόδου τους πάνω στον \[xx'\] απέχουν μεταξύ τους απόσταση \[d\]. Αν \[R_α\] είναι η ακτίνα της κυκλικής τροχιάς του σωματίου \[α\], τότε η απόσταση \[d\] είναι:

Το σύρμα ΚΛΜ του παρακάτω σχήματος τοποθετείται πάνω σε λείο οριζόντιο επίπεδο και παραμένει ακίνητο πάνω σ’ αυτό. Το σύρμα βρίσκεται κατά ένα μέρος εντός ομογενούς μαγνητικού πεδίου έντασης \[\vec{B}\] που η διεύθυνσή της είναι κάθετη στη διεύθυνση του επιπέδου που ορίζουν οι πλευρές του σύρματος όπως φαίνεται στο σχήμα. Όταν διαβιβάσουμε στο σύρμα ρεύμα έντασης \[Ι\] που έχει τη φορά του σχήματος τότε το σύρμα:

Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές; Οι δυναμικές γραμμές ενός μαγνητικού πεδίου:

Ένα πρωτόνιο μάζας \[m_p\] και φορτίου \[e\] (στοιχειώδες φορτίο) και ένας πυρήνας ηλίου μάζας \[4m_p\] και φορτίου \[2e\] εκτελούν κυκλικές τροχιές με ακτίνες \[R_p\, , \, R_α\] αντίστοιχα με ίσες κατά μέτρο ταχύτητες. Ποιες απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές;

Ένα πρωτόνιο βάλλεται μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο με ταχύτητα που σχηματίζει γωνία \[φ\] με τις δυναμικές του γραμμές όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Στο πρωτόνιο ασκείται μόνο η δύναμη απ’ το πεδίο αυτό. Ποιες απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές;

Φορτισμένο σωματίδιο εισέρχεται σε ομογενές μαγνητικό πεδίο κάθετα στις δυναμικές γραμμές του με ορμή μέτρου \[p\]. Στο σωματίδιο ασκείται μόνο η δύναμη Lorentz απ’ το πεδίο αυτό. Το σωματίδιο εκτελεί ομαλή κυκλική κίνηση ακτίνας \[R_1\] και περιόδου \[T_1\]. Αν το ίδιο σωματίδιο εισέρχονταν στο ίδιο πεδίο με ταχύτητα ίδιας κατεύθυνσης και ορμής διπλάσιου μέτρου τότε θα εκτελούσε ομαλή κυκλική κίνηση ακτίνας \[R_2\] και περιόδου \[Τ_2\]. Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Για τις παραπάνω ακτίνες και περιόδους ισχύει:

Ένα πρωτόνιο μάζας \[m_p\] και φορτίου \[+e\] (στοιχειώδες φορτίο) εισέρχεται απ’ το σημείο Α του ορίου \[xx'\] ομογενούς μαγνητικού πεδίου με ταχύτητα μέτρου \[υ_p\] κάθετα στις δυναμικές γραμμές και κάθετα στην ευθεία \[xx'\] όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Το πρωτόνιο εξέρχεται απ’ το σημείο Γ της ευθείας \[xx'\]. Κατόπιν δεύτερο σωματίδιο μάζας \[m=2m_p\] και φορτίου \[q=-e\] εισέρχεται με ταχύτητα μέτρου \[υ_1 = \frac{υ_p}{4}\] ίδιας κατεύθυνσης με αυτήν της \[\vec{υ}_p\] απ’ το ίδιο σημείο Α μέσα στο μαγνητικό πεδίο και εξέρχεται απ’ το σημείο Δ της ευθείας \[xx'\]. Και τα δύο σωματίδια δέχονται μόνο τη δύναμη του μαγνητικού πεδίου. Αν η απόσταση ΑΔ είναι ΑΔ\[=d\], τότε η απόσταση ΓΔ των σημείων εξόδου των σωματιδίων απ’ το μαγνητικό πεδίο είναι:

Ποια από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Με τη βοήθεια του νόμου των Biot και Savart μπορούμε να υπολογίσουμε το μαγνητικό πεδίο:

Ένα σωμάτιο \[α\] (πυρήνες ηλίου) φορτίου \[q_α\] και μάζας \[m_α\] βάλλεται απ’ το σημείο Γ του ορίου ενός ομογενούς μαγνητικού πεδίου έντασης \[\vec{B}\] με ταχύτητα \[\vec{υ}\] που είναι κάθετη στις δυναμικές γραμμές του πεδίου και σχηματίζει γωνία \[150^0\] με το όριο \[x' x\] του πεδίου όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Το σωμάτιο \[α\] βγαίνει απ’ το μαγνητικό πεδίο απ’ το σημείο Δ του ορίου \[x' x\]. Κατόπιν επαναλαμβάνουμε το ίδιο πείραμα με το σωμάτιο \[α\] να εισέρχεται απ’ το σημείο Γ στο μαγνητικό πεδίο με ίδια κατά μέτρο ταχύτητα που όμως τώρα είναι και κάθετη στις δυναμικές γραμμές και κάθετη στο όριο \[x' x\] του πεδίου. Τώρα το σωματίδιο βγαίνει απ’ το σημείο Ε του ορίου \[x' x\]. Και στα δύο πειράματα στο σωμάτιο \[α\] επιδρά μόνο η δύναμη απ’ το μαγνητικό πεδίο. Σχεδιάστε τις τροχιές του πυρήνα στο ίδιο σχήμα. Αν \[S_1\, , \, S_2\] είναι το μήκος των τροχιών που διαγράφει το σωμάτιο \[α\] στο πρώτο και δεύτερο πείραμα αντίστοιχα, ισχύει:

Στο παρακάτω σχήμα φαίνονται δύο κλειστές διαδρομές \[S_1\, , \, S_2\] σχήματος ομοεπίπεδων τετραγώνων πλευράς \[α\, ,\, 2α\] αντίστοιχα και οι φορές διαγραφής. Η διαδρομή \[S_1\] περικλείει τρεις ευθύγραμμους παράλληλους αγωγούς που διαρρέονται από ομόρροπα ρεύματα ίδιας έντασης \[Ι\] το καθένα. Η διεύθυνση των αγωγών είναι κάθετη στο επίπεδο των δύο επιφανειών. Για να γίνει το άθροισμα \[∑B\cdot Δ\ell \cdot συνφ\] στη διαδρομή \[S_2\] ίσο με το μηδέν χωρίς ν’ αλλάξει το αντίστοιχο άθροισμα στη διαδρομή \[S_1\] πρέπει:

Ο αγωγός (1) του παρακάτω σχήματος αποτελείται από δύο συνευθειακούς αγωγούς ΚΜ και ΛΝ πεπερασμένου μήκους και έναν ημικυκλικό αγωγό ακτίνας \[r\] και κέντρου Ο που η διάμετρός του είναι η ΚΛ. Ο αγωγός (1) διαρρέεται από ρεύμα \[Ι\]. Ο αγωγός (2) είναι ευθύγραμμος απείρου μήκους παράλληλος στα ευθύγραμμα τμήματα του αγωγού (1) και διαρρέεται από ρεύμα \[Ι'=2Ιπ\] και απέχει α απ’ το κέντρο του ημικυκλίου. Οι αγωγοί (1) και (2) βρίσκονται στο επίπεδο της σελίδας και το ρεύμα του αγωγού (2) έχει φορά προς τα δεξιά. Η ένταση του μαγνητικού πεδίου στο κέντρο Ο του ημικυκλίου είναι μηδενική. Η απόσταση \[α\] του αγωγού (2) είναι:

Θετικά φορτισμένα σωματίδια μάζας \[m\] και φορτίου \[q\] επιταχύνονται απ’ την ηρεμία υπό τάση \[V\] και κατόπιν εισέρχονται σε φίλτρο ταχυτήτων μαγνητικού πεδίου έντασης \[ \vec{B} \] και ηλεκτρικού πεδίου έντασης \[\vec{E}\] όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Αν τετραπλασιάσουμε την τάση που επιταχύνει το φορτίο τότε για να μην εκτραπεί της αρχικής του πορείας από το φίλτρο ταχυτήτων πρέπει:

Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Η μαγνητική θωράκιση ενός μηχανισμού οφείλεται:

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 βημάτων \[\frac{β_p}{ β_α} \] της ελικοειδούς κίνησης είναι:

Δύο ιόντα \[(1)\, , \, (2)\] με φορτία \[q_1 = q >0\] και \[q_2 = -q\] και ίδιας μάζας \[m\] βάλλονται ταυτόχρονα απ’ το ίδιο σημείο Γ του ορίου \[x' x\] του ομογενούς μαγνητικού πεδίου με ταχύτητες ίδιου μέτρου \[υ_1=υ_2=υ\] που είναι κάθετες στις δυναμικές τους γραμμές. Η ταχύτητα \[\vec{υ}_1\] του ιόντος \[(1)\] σχηματίζει με το όριο \[60^0\] ενώ η \[\vec{υ}_2\] γωνία \[120^0\] όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Τα σωματίδια \[(1) \, , \, (2)\] εξέρχονται απ’ τα σημεία Δ και Ε αντίστοιχα του ορίου \[x' x\] και κατά την κίνησή τους επιδρά σ’ αυτά μόνο η δύναμη απ’ το μαγνητικό πεδίο. Αν η ακτίνα της κυκλικής τροχιάς του ιόντος \[(1)\] είναι \[R_1\], τότε η απόσταση ΔΕ είναι:

Στο πείραμα του Thomson μέσα στον καθοδικό σωλήνα απ’ την πυρακτωμένη κάθοδο εκπέμπονται ηλεκτρόνια που επιταχύνονται υπό τάση \[V\] που δημιουργείται μεταξύ της καθόδου και των δύο ανόδων Α, Α΄. Έτσι δημιουργείται μια δέσμη ηλεκτρονίων που κατόπιν περνούν μέσα από φίλτρο ταχυτήτων της διάταξης χωρίς ν’ αποκλίνουν της αρχικής τους πορείας και καταλήγουν στη φθορίζουσα οθόνη. Αν τετραπλασιάσουμε την τάση που επιταχύνει τα ηλεκτρόνια, για να μην αποκλίνει η δέσμη μέσα στο φίλτρο ταχυτήτων πρέπει:

Τρία πρωτόνια βάλλονται από το ίδιο σημείο ενός ομογενούς μαγνητικού πεδίου με ταχύτητες \[\vec{υ}_1\, , \, \vec{υ}_2 \, , \, \vec{υ}_3\] αντίστοιχα που για τα μέτρα τους ισχύει \[υ_1 > υ_2 > υ_3\] και οι κατευθύνσεις τους είναι κάθετες στις δυναμικές γραμμές του πεδίου και δεχόμαστε ότι δέχονται μόνο τις δυνάμεις απ’ το πεδίο αυτό. Τα πρωτόνια εκτελούν πλήρη κυκλική τροχιά ακτίνων \[ R_1\, , \, R_2 \, , \, R_3\] σε χρονικό διάστημα \[Δt_1\, , \, Δt_2 \, , \, Δt_3\]. Για τις ακτίνες τους και τα παραπάνω χρονικά διαστήματα ισχύει:

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:

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. Αν \[R_1\] είναι η ακτίνα της κυκλικής τροχιάς του σωματιδίου \[(1)\] μέσα στο μαγνητικό πεδίο, τότε η απόσταση \[d\] είναι:

Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Στο νόμο του Ampere \[∑B\cdot Δ\ell\cdot συνθ=μ_0 Ι_{εγκ}\], το \[Ι_{εγκ}\] είναι:

Ο κατακόρυφος αγωγός του σχήματος (α) είναι μεγάλου μήκους. Ο αγωγός διαρρέεται από σταθερό ρεύμα έντασης \[Ι\]. Σημείο Κ απέχει απόσταση \[d\] απ’ τον αγωγό. Στρέφω τον αγωγό γύρω από άξονα που περνά απ’ το μέσο του και είναι κάθετος σ’ αυτόν κατά \[90^0\], όπως στο σχήμα β. Η μαγνητική διαπερατότητα του κενού είναι \[μ_0\].

Ένα ηλεκτρόνιο \[e\] και ένα πρωτόνιο \[p\] εισέρχονται μέσα στο ίδιο ομογενές μαγνητικό πεδίο με ταχύτητες κάθετες στις δυναμικές γραμμές του πεδίου. Για τις μάζες τους ισχύει \[m_p=1836 m_e\]. Τα δύο σωματίδια εισέρχονται στο πεδίο με ίσες κινητικές ενέργειες και δέχονται μόνο τις δυνάμεις του πεδίου. Ο λόγος των μέτρων των επιταχύνσεων \[\frac{α_{κ_e }}{α_{κ_p}}\] που αποκτούν στο μαγνητικό πεδίο είναι: