Τεστ στο Μαγνητικό πεδίο (Επίπεδο δυσκολίας: Δύσκολο)

Ο αγωγός ΚΛ του παρακάτω σχήματος α αποτελείται από δύο πανομοιότυπους ευθύγραμμους αγωγούς ΚΟ και ΟΛ που έχουν συγκολληθεί κάθετα στο κοινό τους άκρο Ο. Ο κάθε αγωγός έχει μήκος \[\ell\]. Ο αγωγός ΚΟΛ διαρρέεται από ρεύμα έντασης \[Ι\] και αρχικά είναι τοποθετημένος όπως στο σχήμα 1 μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης μέτρου \[B\]. Η δύναμη Laplace που δέχεται ο αγωγός ΚΟΛ έχει μέτρο \[F_1\].

Ποιες απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές; Στο πείραμα του Thomson:

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:

Ένα πρωτόνιο μάζας \[m_p\] και φορτίου \[q_p\] και ένα νετρόνιο \[n\] βάλλονται ταυτόχρονα με κατά μέτρο ίσες ταχύτητες \[(υ_p=υ_n )\] από σημείο Γ της ευθείας \[x' x\] που αποτελεί όριο ενός ομογενούς μαγνητικού πεδίου έντασης \[\vec{B}\]. Η ταχύτητα \[\vec{υ}_p\] του πρωτονίου σχηματίζει γωνία \[30^0\] με το όριο \[x' x\] και είναι κάθετη στις δυναμικές γραμμές του πεδίου ενώ η ταχύτητα \[\vec{υ}_n\] του νετρονίου είναι κάθετη στο όριο \[x' x\] και στις δυναμικές γραμμές του πεδίου όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Οι βαρυτικές δυνάμεις αμελούνται. Το πρωτόνιο εξέρχεται αφού έχει διαγράψει κυκλικό τόξο απ’ το σημείο Δ του ορίου \[x' x\] που απέχει απ’ το Γ απόσταση \[d\]. Τη στιγμή της εξόδου του πρωτονίου απ’ το μαγνητικό πεδίο το νετρόνιο απέχει απόσταση \[d_1\] απ’ το όριο \[x' x\] για την οποία ισχύει:

Στο παρακάτω σχήμα φαίνονται τα διαγράμματα των μέτρων των εντάσεων δύο κυκλικών πλαισίων (1), (2) στα αντίστοιχα κέντρα τους \[Κ_1,\, Κ_2\] σε συνάρτηση με τις εντάσεις των ρευμάτων που τα διαρρέει. Τα πλαίσια διαρρέονται από ρεύματα ίδιας έντασης \[Ι\] και έχουν ίσες ακτίνες \[r\]. Για τον αριθμό των κυκλικών σπειρών \[Ν_1,\, Ν_2\] που έχει κάθε πλαίσιο ισχύει:

Κυκλικό πλαίσιο αποτελείται από \[N\] ομόκεντρες και ομοεπίπεδες σπείρες ακτίνας \[α\] η καθεμιά. Η αντίσταση της κάθε σπείρας είναι \[R\]. Το κυκλικό πλαίσιο συνδέεται με πηγή ΗΕΔ \[\mathcal{E}\] και εσωτερικής αντίστασης \[R\]. Τότε η ένταση του μαγνητικού του πεδίου στο κέντρο του πλαισίου είναι \[B_1\]. Δεύτερο κυκλικό πλαίσιο είναι φτιαγμένο από το ίδιο ομογενές και ισοπαχές σύρμα αποτελείται από \[2N\] σπείρες ίδιας ακτίνας \[α\]. Αν συνδέσω το δεύτερο πλαίσιο με την ίδια πηγή, τότε το μέτρο της έντασης του μαγνητικού του πεδίου \[Β_2\] στο κέντρο του είναι \[20 \% \] μεγαλύτερο του \[Β_1\]. Ο αριθμός \[Ν\] των σπειρών του πρώτου πλαισίου είναι:

Ο αγωγός του παρακάτω σχήματος είναι τμήμα κύκλου ακτίνας \[r\] και κέντρου Κ. Η επίκεντρη γωνία που του αντιστοιχεί είναι \[Δθ\] μετρημένη σε \[rad\]. Ο αγωγός διαρρέεται από ρεύμα έντασης \[Ι\] που η φορά του φαίνεται στο σχήμα. Αν \[μ_0\] η μαγνητική διαπερατότητα του κενού, τότε η ένταση του μαγνητικού πεδίου του αγωγού στο κέντρο του Κ:

Τρία διαφορετικά αρνητικά ιόντα βάλλονται ταυτόχρονα την \[t=0\] μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο με ταχύτητες μέτρων \[ υ_1 > υ_2 > υ_3\] αντίστοιχα που είναι κάθετες στις δυναμικές γραμμές του πεδίου όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Τα ιόντα αφού διαγράψουν από έναν πλήρη κύκλο ακτίνων \[ R_1\, , \, R_2 \, , \, R_3\] αντίστοιχα, επιστρέφουν για πρώτη φορά στο σημείο βολής τους την ίδια χρονική στιγμή επιδρώντας σ’ αυτά μόνο οι δυνάμεις που δέχονται απ’ το μαγνητικό πεδίο. Για τις ακτίνες των κυκλικών τους τροχιών 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:

Οι δύο ευθύγραμμοι παράλληλοι αγωγοί (1), (2) μεγάλου μήκους διαρρέονται από ρεύματα εντάσεων \[Ι_1\] και \[Ι_2=\frac{Ι_1}{3}\] αντίστοιχα και βρίσκονται ακλόνητοι πάνω σε οριζόντιο μονωτικό δάπεδο. Τρίτος ευθύγραμμος αγωγός μήκους \[\ell\] τοποθετείται πάνω στο ίδιο επίπεδο παράλληλα με τους άλλους δύο. Αν οι αγωγοί (1), (2) απέχουν απόσταση \[r\], τότε ο αγωγός (3) απέχει \[\frac{r}{3}\] απ’ τον αγωγό (2) όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Ο αγωγός (3) διαρρέεται από ρεύμα έντασης \[Ι_3=Ι_1\] που η φορά του φαίνεται στο παρακάτω σχήμα και έχει μήκος \[\ell\]. Η στατική τριβή που πρέπει να δέχεται ο αγωγός (3) απ’ το οριζόντιο δάπεδο για να ισορροπεί:

Οι τρεις κατακόρυφοι αγωγοί διαρρέονται από ρεύματα \[Ι_1=2Ι\, ,\, Ι_2=Ι\, ,\, Ι_3=4Ι\] 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 \[∑B\cdot Δl \cdot συνθ\] στη διαδρομή αυτή ισούται με:

Στον επιλογέα ταχυτήτων του παρακάτω σχήματος το μαγνητικό του πεδίο έχει ένταση \[\vec{B}\] και το ηλεκτρικό πεδίο έχει ένταση \[\vec{Ε}\]. Δέσμη πρωτονίων (μάζας \[m_p\] και φορτίου \[q_p=e\]) εισέρχεται σε επιλογέα ταχυτήτων με ταχύτητα \[υ\] κάθετη στις δυναμικές γραμμές των δύο πεδίων του. Η δέσμη δεν αποκλίνει κατά το πέρασμά της μέσα απ’ τον επιλογέα. Οι βαρυτικές δυνάμεις και οι ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων της δέσμης θεωρούνται αμελητέες. Αν αντί για δέσμη πρωτονίων είχαμε δέσμη σωματιδίων \[α\] (μάζας \[m_α=4m_p\] και \[q_α=2e\]) τότε:

Αρνητικά φορτισμένο σωματίδιο φορτίου \[q\] και μάζας \[m\] επιταχύνεται από την ηρεμία υπό τάση \[V\] και με την ταχύτητα \[υ\] που αποκτά εισέρχεται σε ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης \[\vec{B}\] που η κάθετη τομή φαίνεται στο παρακάτω σχήμα και εκτείνεται σε απόσταση \[d\] κατά τη διεύθυνση της ταχύτητας εισόδου του σωματιδίου. Η ταχύτητα αυτή είναι κάθετη στο όριο του πεδίου \[yy'\] και στις δυναμικές γραμμές του πεδίου. Για να εξέλθει το σωματίδιο απ’ το ίδιο όριο του πεδίου απ’ το οποίο εισήλθε πρέπει η τάση \[V\] να πληρεί την ανίσωση:

Ποιες απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές; Το μέτρο της έντασης του μαγνητικού πεδίου στο κέντρο κυκλικού ρευματοφόρου αγωγού:

Οι δύο κατακόρυφοι αγωγοί του παρακάτω σχήματος είναι απείρου μήκους και διαρρέονται από ρεύματα εντάσεων \[Ι_1,\, Ι_2\]. Τρίτος αγωγός (3) είναι κυκλικός, εφάπτεται στους άλλους δύο με μονωτικές επαφές και έχει το επίπεδό του κάθετο σ’ αυτούς. Ο αγωγός (3) έχει ακτίνα \[α\] και διαρρέεται από ρεύμα έντασης \[Ι_3\]. Στο κέντρο Κ του αγωγού (3) η ένταση του συνολικού πεδίου λόγω των τριών αγωγών είναι διάνυσμα παράλληλο των δύο αγωγών και έχει μέτρο \[Β_Κ=μ_0 \frac{ Ι_1 }{α}\]. Για τους αγωγούς ισχύει:

Ευθύγραμμος οριζόντιος αγωγός βρίσκεται μέσα σε κατακόρυφο ομογενές μαγνητικό πεδίο και διαρρέεται από ρεύμα σταθερής έντασης. Ο αγωγός δέχεται απ’ το μαγνητικό πεδίο δύναμη Laplace μέτρου \[F\]. Κάμπτουμε τον αγωγό στη μέση μέχρι τα δύο ίσα μέρη του να σχηματίζουν μεταξύ τους ορθή γωνία, ενώ ο αγωγός εξακολουθεί να παραμένει οριζόντιος και να διαρρέεται απ’ το ίδιο ρεύμα. Το μέτρο της δύναμης Laplace που δέχεται τώρα ο αγωγός είναι \[F'\]. Για τα μέτρα των δυνάμεων Laplace ισχύει:

Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Με τον επιλογέα ταχυτήτων απομονώνουμε σωματίδια που έχουν:

Στο παρακάτω σχήμα έχει σχεδιαστεί ο προσανατολισμός της μαγνητικής βελόνας όταν δέχεται δυνάμεις μόνο απ’ τον ευθύγραμμο αγωγό απείρου μήκους που διαρρέεται από ρεύμα σταθερής έντασης \[Ι\] και είναι τοποθετημένη σε σημεία της ίδιας δυναμικής γραμμής. Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Ο σωστός προσανατολισμός της μαγνητικής βελόνας είναι:

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:

Σωματίδιο κινείται κάθετα στις δυναμικές γραμμές του πεδίου με ταχύτητα μέτρου \[υ\] και δέχεται μόνο τη δύναμη Lorentz \[\vec{F}_{Lo}\] απ’ το πεδίο αυτό. Ο ρυθμός μεταβολής της κινητικής ενέργειας του σωματιδίου είναι:

Τρία διαφορετικά αρνητικά ιόντα βάλλονται ταυτόχρονα την \[t=0\] μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο με ταχύτητες μέτρων \[ υ_1 > υ_2 > υ_3\] αντίστοιχα που είναι κάθετες στις δυναμικές γραμμές του πεδίου όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Τα ιόντα αφού διαγράψουν από έναν πλήρη κύκλο ακτίνων \[ R_1\, , \, R_2 \, , \, R_3\] αντίστοιχα, επιστρέφουν για πρώτη φορά στο σημείο βολής τους την ίδια χρονική στιγμή επιδρώντας σ’ αυτά μόνο οι δυνάμεις που δέχονται απ’ το μαγνητικό πεδίο. Τα μέτρα των δυνάμεων Lorentz F_Lo που δέχονται τα ιόντα απ’ το πεδίο ισχύει:

Αγώγιμο κυλινδρικό σύρμα έχει διατομή ακτίνας \[R_1\] και περιβάλλεται από λεπτό αγώγιμο κυλινδρικό κέλυφος ακτίνας \[R_2=2R_1\]. Μεταξύ των δύο παραπάνω αγωγών υπάρχει μονωτικό υλικό που θεωρούμε ότι έχει μαγνητική διαπερατότητα ίση με τη μονάδα. Το σύρμα διαρρέεται από ρεύμα \[Ι_1=Ι\] ενώ ο κύλινδρος από ομόρροπο ρεύμα \[Ι_2=\frac{Ι }{ 2 } \]. Η κατανομή των ρευμάτων στις δύο διατομές των αγωγών είναι ομοιόμορφη. Σε σημείο Α του σύρματος που απέχει \[r_1= \frac{ R_1 }{ 2 }\] απ’ τον κοινό άξονά του η ένταση του μαγνητικού πεδίου του συστήματος έχει μέτρο \[Β_Α\]. Στο σημείο Δ που απέχει \[4R_1\] απ’ τον κοινό άξονα, το μαγνητικό πεδίο του συστήματος έχει μέτρο \[Β_Δ\] που:

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:

Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές; Η ένταση του μαγνητικού πεδίου:

Ο ευθύγραμμος αγωγός ΚΛ έχει μήκος \[\ell\] και αντίσταση \[R\]. Ο αγωγός τοποθετείται οριζόντια ώστε τα άκρα του να εφάπτονται με τους λείους κατακόρυφους αγωγούς \[Αy_1\] και \[Γy_2\] που έχουν αμελητέα αντίσταση. Τα άκρα Α, Γ των κατακόρυφων αγωγών συνδέονται με ηλεκτρική πηγή που έχει ΗΕΔ \[\mathcal{E}\] και εσωτερική αντίσταση \[r=\frac{R}{3}\], ενώ μεταξύ των αγωγών αυτών έχουμε συνδέσει μέσω διακόπτη δ και αντιστάτη αντίστασης \[R_1=\frac{R}{2}\]. Το σύστημα των αγωγών βρίσκεται μέσα σε οριζόντιο ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης \[\vec{B}\] που είναι κάθετο στο επίπεδο των αγωγών και έχει τη φορά του σχήματος. Αρχικά ο διακόπτης είναι ανοικτός και ο αγωγός ΚΛ ισορροπεί ακίνητος. Όταν κλείσουμε το διακόπτη δ, ο αγωγός ΚΛ:

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. Για τις αποστάσεις ΓΕ και ΔΕ ισχύει:

Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές;

Δύο ηλεκτρόνια (1), (2) βάλλονται ταυτόχρονα απ’ το ίδιο σημείο Α ενός ομογενούς μαγνητικού πεδίου και εκτελούν πλήρεις κυκλικές κινήσεις ακτίνων \[R_1\, ,\, R_2\] αντίστοιχα δεχόμενα μόνο τις δυνάμεις Lorentz απ’ το μαγνητικό πεδίο. Έτσι τα ηλεκτρόνια επιστρέφουν ξανά στο σημείο βολής τους Α. Οι ταχύτητες των ηλεκτρονίων είναι κάθετες στις δυναμικές γραμμές του πεδίου και για τα μέτρα τους ισχύει: \[υ_2=2υ_1\]. Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Για τις κυκλικές κινήσεις των δύο ηλεκτρονίων ισχύει:

Στο παρακάτω σχήμα φαίνονται τρεις διαδρομές \[ S_1\, , \, S_2\, , \, S_3\] και οι φορές διαγραφής τους. Τα έγκλειστα ρεύματα απ’ τις διαδρομές αυτές έχουν ίδια ένταση \[Ι\] και οι φορές τους φαίνονται στο σχήμα. Ποιες απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές; Το άθροισμα \[∑B\cdot Δ\ell \cdot συνθ\]: