Τεστ στο Μαγνητικό πεδίο (Επίπεδο δυσκολίας: Δύσκολο)

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:

Δέσμη πρωτονίων μάζας \[m_p\] και φορτίου \[e\] εισέρχεται στον επιλογέα ταχυτήτων ενός φασματογράφου μάζας χωρίς να εκτραπεί απ’ αυτόν. Στη συνέχεια τα πρωτόνια εισέρχονται στο μαγνητικό του πεδίο \[\vec{B}'\] εκτελούν ημικύκλιο μέσα σ’ αυτό και πέφτουν πάνω σε φωτογραφική πλάκα. Το κάθε πρωτόνιο αφήνει ίχνος πάνω στην πλάκα που απέχει \[d_1\] απ’ το σημείο εισόδου του στο πεδίο \[\vec{B}'\]. Στον ίδιο φασματογράφο κατόπιν εισέρχεται δέσμη από ιόντα Νέου που έχουν δημιουργηθεί από τα δύο ισότοπά του και έχουν φορτίο \[q=e\]. Όσα ιόντα δεν εκτρέπονται απ’ τον επιλογέα ταχυτήτων εισέρχονται στο μαγνητικό πεδίο \[\vec{B}' \] και αφού εκτελέσουν ημικυκλικές τροχιές αφήνουν ίχνη σε δύο σημεία της φωτογραφικής πλάκας. Η απόσταση των δύο αυτών ιχνών είναι \[d=2d_1\]. Θεωρούμε ότι η μάζα του νετρονίου είναι ίση με αυτή του πρωτονίου. Το ένα ισότοπο του Νέου έχει απ’ το άλλο: ( Υπόδειξη: Βρείτε το λόγο \[\frac{Δm}{m_p}\] όπου \[Δm\] η διαφορά των μαζών των δύο ισότοπων ατόμων που δημιούργησαν τα ιόντα)

Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η κατακόρυφη τομή ομογενούς μαγνητικού πεδίου έντασης \[\vec{B}\] η οποία περιορίζεται μέσα στο ορθογώνιο παραλληλόγραμμο ΚΛΜΝ. Αρνητικά φορτισμένο σωματίδιο εισέρχεται στο πεδίο απ’ το σημείο Γ του ορίου ΚΛ με ταχύτητα \[\vec{υ}\] που είναι κάθετη στην ΚΛ και στις δυναμικές γραμμές του πεδίου. Το σωματίδιο εκτελεί κυκλική κίνηση περιόδου \[T\] επιδρώντας σ’ αυτό μόνο το βάρος του και εξέρχεται τη χρονική στιγμή \[t_1 = \frac{T}{6}\] απ’ το σημείο Δ του ορίου ΛΜ του πεδίου. Το μήκος της πλευράς ΚΛ είναι ΚΛ\[=d\]. Η κατακόρυφη απόκλιση του σωματιδίου κατά την έξοδό του απ’ το πεδίο είναι \[y\]. Αν \[R\] είναι η ακτίνα της κυκλικής τροχιάς του σωματιδίου, τότε η απόκλισή του \[y\] είναι:

Τοποθετώ μια ράβδο μέσα σ’ ένα μαγνητικό πεδίο και μετά την αφαιρώ. Η ράβδος γίνεται μόνιμος μαγνήτης αν αυτή είναι φτιαγμένη από:

Ένας κυκλικός αγωγός δημιουργείται από ομογενές και ισοπαχές σύρμα κέντρου Κ , ακτίνας \[r\] και αντίστασης \[R\]. Συνδέουμε τα άκρα Μ, Ν μιας διαμέτρου του κυκλικού αγωγού μέσω συρμάτων αμελητέας αντίστασης με ιδανική πηγή με ΗΕΔ \[Ε\] και έτσι ο αγωγός διαρρέεται από ρεύμα. Αν \[μ_0\] η μαγνητική διαπερατότητα του κενού, τότε το μαγνητικό πεδίο που οφείλεται στο ημικυκλικό τμήμα ΜΔΝ του αγωγού στο κέντρο του Κ έχει ένταση μέτρου:

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:

Κυκλικός ρευματοφόρος αγωγός ακτίνας \[r\] διαρρέεται από σταθερό ρεύμα έντασης \[I\]. Δύο σημεία Α και Γ βρίσκονται στο επίπεδο του αγωγού και είναι μέσα και έξω αντίστοιχα απ’ το χωρίο που περικλείει η περιφέρεια του αγωγού όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Το σημείο Γ απέχει \[r_2\] απ’ το κέντρο Κ του αγωγού ενώ το σημείο Α \[r_1\]. Ποιες απ’ τις επόμενες προτάσεις είναι σωστές;

Ένα πρωτόνιο \[p\] και ένα σωμάτιο \[α\] με φορτία \[q_p\] και \[q_α=2q_p\] και μάζες \[m_p\] και \[m_α=4m_p\] αντίστοιχα εκτελούν ομαλή κυκλική κίνηση μέσα στο ίδιο ομογενές μαγνητικό πεδίο με την επίδραση μόνο της δύναμης που δέχονται απ’ το πεδίο. Τα δύο σωματίδια έχουν ίσες κατά μέτρο ταχύτητες . Αν \[R_p\, , \, R_α\] και \[ f_p \, , \, f_α\] είναι οι ακτίνες και οι συχνότητες των κυκλικών τους κινήσεων, ποια απ’ τις παρακάτω σχέσεις είναι σωστή;

Ποιες απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές; Η δύναμη Lorentz \[\vec{F}_{Lo}\] που δέχεται ένα σωματίδιο που βρίσκεται σε ομογενές μαγνητικό πεδίο είναι μηδενική αν:

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:

Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Η μάζα \[m\] του ηλεκτρονίου:

Ραδιενεργό άτομο που είναι αρχικά ακίνητο μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο μεγάλης έκτασης διασπάται ακαριαία μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο σε δύο επιμέρους σωματίδια \[(1)\, , \, (2)\] με φορτία \[ q_1\, , \, q_2\] με φορτία \[ q_1 \, , \, q_2\], μάζες \[ m_1 \, , \, m_2\] και ταχύτητες \[\vec{υ}_1\, , \, \vec{υ}_2\]. Η ταχύτητα του σωματιδίου \[(1)\] είναι κάθετη στις δυναμικές γραμμές του πεδίου. Τα σωματίδια που παράγονται εκτελούν μέσα στο ομογενές μαγνητικό πεδίο κυκλικές κινήσεις ακτίνων \[ R_1\, , \, R_2\] αντίστοιχα δεχόμενα μόνο τις δυνάμεις του ομογενούς μαγνητικού πεδίου. ( Υπόδειξη: Σε κάθε έκρηξη ισχύει η αρχή διατήρησης της ορμής. Το άτομο πριν τη διάσπαση είναι αφόρτιστο \[q_{{ολ}_πριν}=0\] και η αρχή διατήρησης του φορτίου απαιτεί \[q_{{ολ}_πριν} = q_1+q_2\] ). Για τις ακτίνες τους 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;

Ποια απ’ τις επόμενες προτάσεις είναι σωστή; Ο φασματογράφος του Bainbridge αποτελείται από

Ρευματοφόρο σωληνοειδές έχει τον άξονά του οριζόντιο και στο εσωτερικό του έχει δημιουργηθεί μαγνητικό πεδίο έντασης μέτρου \[Β\]. Στρέφουμε το σωληνοειδές γύρω από κατακόρυφο άξονα που περνά απ’ το κέντρο του κατά \[90\] μοίρες.

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:

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 \[F_1\].

Φορτισμένο σωματίδιο εισέρχεται σε ομογενές μαγνητικό πεδίο με ταχύτητα \[\vec{υ}\] που σχηματίζει γωνία \[φ\] (\[ 0 < φ < 90^0\]) με τις δυναμικές του γραμμές. Στο σωματίδιο ασκείται μόνο η δύναμη απ’ το πεδίο. Το σωματίδιο εκτελεί ελικοειδή κίνηση. Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Το βήμα της ελικοειδούς κίνησης:

Το τετράγωνο πλαίσιο ΚΛΜΝ μάζας \[m\] του παρακάτω σχήματος έχει πλευρά \[α\], βρίσκεται πάνω σε λείο οριζόντιο επίπεδο και διαρρέεται από ρεύμα έντασης \[Ι\] που έχει τη φορά των δεικτών του ρολογιού. Στο ίδιο οριζόντιο επίπεδο και παράλληλα με τις πλευρές του πλαισίου ΚΛ και ΜΝ βρίσκονται δύο ευθύγραμμοι αγωγοί (1), (2) μεγάλου μήκους που διαρρέονται από ρεύμα εντάσεων \[Ι_1\] και \[Ι_2=3Ι_1\] αντίστοιχα που οι φορές τους και οι αποστάσεις των ευθύγραμμων αγωγών από το πλαίσιο φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Η μαγνητική διαπερατότητα του κενού είναι \[μ_0\] και η συνολική μάζα του πλαισίου είναι \[m\]. Αν αφήσουμε το πλαίσιο ελεύθερο να κινηθεί, αυτό:

Στο πείραμα του Thomson τα ηλεκτρόνια που εκπέμπει η πυρακτωμένη κάθοδος επιταχύνονται υπό μια τάση \[V\] και η δέσμη ηλεκτρονίων εισέρχεται σε επιλογέα ταχυτήτων που το μαγνητικό και ηλεκτρικό πεδίο του έχουν εντάσεις μέτρων \[B\] και \[E\] αντίστοιχα. Ποιες απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές;

Δύο παράλληλοι ρευματοφόροι αγωγοί αλληλεπιδρούν με δυνάμεις Laplace. Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Οι δυνάμεις αυτές:

Τρία διαφορετικά θετικά ιόντα \[ (1)\, , \, (2) \, , \, (3)\] βάλλονται μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο με ταχύτητες που είναι κάθετες στις δυναμικές γραμμές του πεδίου και έχουν μέτρα \[υ_1\, , \, υ_2\, , \, υ_3\] που γι’ αυτά ισχύει \[ υ_1 > υ_2 > υ_3 \]. Τα ιόντα εκτελούν κυκλική κίνηση μέσα στο μαγνητικό πεδίο ίσων ακτίνων \[ R_1 = R_2 = R_3\]. Στα ιόντα ασκούνται μόνο οι δυνάμεις απ’ το μαγνητικό πεδίο. Για τις συχνότητες των κυκλικών τους κινήσεων \[ f_1 \, , \, f_2 \, , \, f_3\] ισχύει:

Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται το διάνυσμα της έντασης του μαγνητικού πεδίου ευθύγραμμου ρευματοφόρου αγωγού απείρου μήκους που διαρρέεται από ρεύμα σταθερής έντασης \[Ι\] σ’ ένα σημείο Α του πεδίου αυτού. Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές;

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:

Στο παρακάτω σχήμα φαίνονται δύο ομόκεντροι κυκλικοί ρευματοφόροι αγωγοί \[(1),\, (2)\]. Ο αγωγός \[(1)\] διαρρέεται από σταθερό ρεύμα έντασης \[Ι\] και έχει ακτίνα \[r\]. Ο αγωγός \[(2)\] διαρρέεται από σταθερό ομόρροπο ρεύμα ίδιας έντασης \[Ι\] και έχει ακτίνα \[4r\]. Στο κοινό κέντρο Κ η ένταση του μαγνητικού πεδίου του αγωγού \[(2)\] είναι \[Β_2\]: Ποιες απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές;

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 \[Β_Α\]. Το μέτρο της έντασης του μαγνητικού πεδίου του συστήματος σε σημείο Γ που απέχει απ’ τον κοινό τους άξονα \[r_2=\frac{ 3R_1}{ 2 }\] είναι \[B_Γ\]. Για τα μέτρα των εντάσεων του συστήματος στα σημεία Α και Γ ισχύει η σχέση:

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:

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 \[m_e\]. Η πλευρά \[α\] του τετραγώνου είναι ίση με:

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 \[\vec{p}_p = \vec{p}_α \]. Για τα μέτρα των επιταχύνσεών του \[α_p\, , \, α_α\] ισχύει:

Λεπτή δέσμη ιόντων χλωρίου \[( C\ell^{-1} )\] φορτίου \[q=-e\] (όπου \[e\] το στοιχειώδες θετικό φορτίο) που έχουν δημιουργηθεί από ισότοπα άτομά του, εισάγονται στον επιλογέα ταχυτήτων ενός φασματογράφου μάζας που αποτελείται από ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης μέτρου \[Β\] και ομογενές ηλεκτρικό πεδίο έντασης μέτρου \[Ε\]. Η δέσμη δεν αποκλίνει κατά το πέρασμά της απ’ τον επιλογέα ταχυτήτων και αμέσως μετά εισάγεται σε ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης μέτρου \[Β'\]. Εκεί τα ιόντα εκτελούν ημικυκλική τροχιά και πέφτουν σε δύο διαφορετικά σημεία φωτογραφικής πλάκας αφήνοντας τα ίχνη τους σ’ αυτήν. Η απόσταση των δύο ιχνών μετρήθηκε και βρέθηκε ίση με \[d\]. Η διαφορά μάζας \[Δm\] μεταξύ του βαρύτερου και του ελφρύτερου ιόντος χλωρίου είναι ίση με: