Τεστ στο Μαγνητικό πεδίο (Επίπεδο δυσκολίας: Δύσκολο)

Στο παρακάτω σχήμα φαίνονται διαγράμματα που αναφέρονται στο μαγνητικό πεδίο ευθύγραμμου ρευματοφόρου αγωγού απείρου μήκους. Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές;

Μια δέσμη ηλεκτρονίων που το καθένα έχει φορτίο \[e\] και μάζα \[m_e\] εισέρχεται κάθετα στο όριο (ευθεία \[ε\]) και στις δυναμικές γραμμές ομογενούς μαγνητικού πεδίου έντασης \[\vec{B}\] με ταχύτητα μέτρου \[υ\]. Παράλληλα στην ευθεία \[ε\] και σε απόσταση \[D\] απ’ αυτήν έχουμε τοποθετήσει μεταλλική πλάκα μεγάλου μήκους. Ποια απ’ τις επόμενες προτάσεις είναι σωστή; Για να μην προσκρούσει η δέσμη στη μεταλλική πλάκα, το μέτρο \[υ\] της ταχύτητας των ηλεκτρονίων της δέσμης πρέπει να είναι:

Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η εγκάρσια διατομή ακτίνας \[R\] ενός ευθύγραμμου κυλινδρικού αγωγού μεγάλου μήκους. Ο αγωγός διαρρέεται από ρεύμα έντασης \[Ι\] που είναι ομοιόμορφα κατανεμημένο στη διατομή του αγωγού. Το μέτρο της έντασης \[B\] του μαγνητικού πεδίου του αγωγού στα διάφορα σημεία του \[0 ≤ r ≤ R \] σε σχέση με την απόσταση \[r\] των σημείων αυτών απ’ τον άξονα του κυλίνδρου είναι:

Ποια απ’ τις επόμενες προτάσεις είναι σωστή; Η θετική φορά διαγραφής που παίρνουμε για να εφαρμόσουμε το νόμο του Ampere πάνω σε μια κλειστή διαδρομή:

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:

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. Το μέτρο της μεταβολής της ορμής του πρωτονίου \[(1)\] λόγω της παραμονής του στο πεδίο είναι \[|Δp_1 |\] ενώ του \[(2)\] \[|Δp_2 |\] και 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:

Το πλαίσιο ΚΛΜΝ με πλευρές \[α,\, γ\] του παρακάτω σχήματος είναι προσδεμένο απ’ το μέσο της πλευράς του ΚΛ απ’ το άκρο κατακόρυφου ιδανικού ελατηρίου σταθεράς \[k\] που το άλλο άκρο του είναι προσδεμένο σε οροφή. Το πλαίσιο διαρρέεται από ρεύμα έντασης \[I\] που η φορά του φαίνεται στο σχήμα ενώ βρίσκεται κατά ένα μέρος του (κάτω απ’ την ευθεία ε) μέσα σε οριζόντιο ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης μέτρου \[B_1\] με φορά προς τον αναγνώστη, ενώ το υπόλοιπο είναι εκτός πεδίου (σχ. α). Το πλαίσιο ισορροπεί ακίνητο και το ελατήριο είναι επιμηκυμένο κατά \[Δ\ell\]. Δημιουργούμε δεύτερο οριζόντιο ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης μέτρου \[B_2\] αντίρροπης της \[B_1\]. Το πεδίο έντασης \[Β_2\] αυτό εκτείνεται πάνω απ’ την ευθεία ε (σχ. β). Τώρα το πλαίσιο ισορροπεί με το ελατήριο να είναι παραμορφωμένο κατά \[1,5Δ\ell\]. Το βάρος του πλαισίου έχει μέτρο \[w=\frac{ B_1 I α }{ 2 } \].

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. Ο λόγος των μέτρων των εντάσεων \[\frac{B_1}{B_2}\] είναι:

Ποια από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Οι δυναμικές γραμμές του μαγνητικού πεδίου ευθύγραμμου ρευματοφόρου αγωγού απείρου μήκους είναι:

Ένα πρωτόνιο με φορτίο \[q_p\] και μάζα \[m_p\] εισέρχεται με ταχύτητα \[\vec{υ}\] μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης \[\vec{B}\] με την ταχύτητά του να σχηματίζει γωνία \[φ=30^0\] με τις δυναμικές γραμμές του πεδίου. Το πρωτόνιο εκτελεί ελικοειδή κίνηση σταθερού βήματος \[β\] με την επίδραση μόνο της δύναμης του μαγνητικού πεδίου. Ο λόγος \[\frac{β}{s}\] όπου \[s\] το μήκος του τόξου που έχει διανύσει το πρωτόνιο λόγω της επιμέρους κυκλικής του κίνησης σε χρόνο \[\frac{T}{2}\] όπου \[T\] η περίοδος αυτής είναι:

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:

Αρνητικά φορτισμένο σωματίδιο επιταχύνεται απ’ την ηρεμία υπό τάση \[V\] και εισέρχεται σε φίλτρο ταχυτήτων που αποτελείται από ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης \[\vec{B}\] και από ομογενές ηλεκτρικό πεδίο έντασης \[\vec{E}\]. Οι βαρυτικές δυνάμεις θεωρούνται αμελητέες. Το σωματίδιο κινείται μέσα στο φίλτρο ταχυτήτων ευθύγραμμα και εξέρχεται απ’ αυτό. Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Αν επαναλάβουμε το ίδιο πείραμα μειώνοντας το μέτρο της \[\vec{B}\] αλλά διατηρώντας σταθερή την τάση \[V\] και την ένταση \[\vec{E}\], τότε το σωματίδιο μέσα στο φίλτρο ταχυτήτων:

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:

Ποιες απ’ τις επόμενες προτάσεις είναι σωστές; Με το φασματογράφο μάζας:

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 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 \[∑B\cdot Δ\ell \cdot συνθ\]:

Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Το μέτρο της έντασης ενός μαγνητικού πεδίου ορίζεται:

Κόβω ένα σωληνοειδές \[Σ\] σε τρία κομμάτια και έτσι δημιουργώ τρία νέα σωληνοειδή \[Σ_1,\, Σ_2,\, Σ_3\] με μήκη \[\ell_1,\, \ell_2,\, \ell_3\] για τα οποία ισχύει \[ \ell_1 > \ell_2 > \ell_3\]. Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Αν συνδέσω παράλληλα τα τρία σωληνοειδή και στα άκρα της συνδεσμολογίας εφαρμόσουμε σταθερή τάση \[V\] όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: Τότε για τα μέτρα των εντάσεων των μαγνητικών πεδίων στα άκρα τους ισχύει:

Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές;

Τρία σωματίδια (1), (2), (3) μπαίνουν ταυτόχρονα στο ίδιο ομογενές μαγνητικό πεδίο κάθετα στο όριό του (πλευρά ΑΕ) και στις δυναμικές γραμμές του με ταχύτητες ίσων μέτρων. Για τα φορτία των σωματιδίων (2), (3) ισχύει \[ |q_2 |=|q_3 |=|q|\] και οι μάζες τους είναι \[m_2\, , \, m_3\] αντίστοιχα. Οι βαρυτικές δυνάμεις θεωρούνται αμελητέες. Στο παρακάτω σχήμα φαίνονται οι τροχιές των σωματιδίων μέσα στο πεδίο. Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές;

Ο κυκλικός αγωγός (1) του σχήματος έχει ακτίνα \[α\] και διαρρέεται από ρεύμα έντασης \[Ι_1\] ενώ ο ευθύγραμμος αγωγός (2) απείρου μήκους απέχει απ’ το κέντρο του Κ του κυκλικού απόσταση \[2α\], βρίσκεται στο ίδιο επίπεδο με τον αγωγό (1) και διαρρέεται από ρεύμα έντασης \[Ι_2\]. Στο κέντρο του κυκλικού αγωγού η συνολική ένταση του μαγνητικού πεδίου λόγω των δύο αγωγών είναι μηδενική. Για το λόγο των εντάσεων \[\frac{Ι_1}{Ι_2}\] 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 το δεύτερο σωματίδιο είχε θετικό φορτίο ίδιας απόλυτης τιμής και μάζα \[m\], τότε θα εξέρχονταν απ’ το πεδίο απ’ το σημείο Δ΄ του ορίου \[xx'\]. Η απόσταση ΓΔ΄ θα ήταν:

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 εγκάρσιες τομές στο επίπεδο της σελίδας \[N\] ευθύγραμμων όμοιων παράλληλων αγωγών που η διατομή του καθενός έχει ακτίνα \[α\]. Οι αγωγοί είναι σε μονωτική επαφή μεταξύ τους και διαρρέονται από ομόρροπα ρεύματα ίδιας έντασης \[Ι\] ο καθένας. Η κλειστή διαδρομή \[S\] του σχήματος έχει σχήμα ορθογωνίου παραλληλογράμμου, βρίσκεται πάνω στο επίπεδο της σελίδας και έχει πλάτος \[\ell\], ενώ το μήκος της διάταξης των αγωγών είναι \[L\]. Η μαγνητική διαπερατότητα του κενού είναι \[μ_0\]. Το άθροισμα \[∑ B \cdot Δ\ell \cdot συνφ\] στην κλειστή διαδρομή \[S\] είναι ίσο με:

Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η τομή με τη σελίδα δύο ευθύγραμμων παράλληλων ρευματοφόρων αγωγών (1), (2) μεγάλου μήκους. Το σημείο Κ απέχει \[d\] απ’ τον αγωγό (1) ενώ το Λ απέχει \[d\] απ’ τον αγωγό 2 και βρίσκονται πάνω στο ευθύγραμμο τμήμα που τους ενώνει και μεταξύ των δύο αγωγών. Οι δύο αγωγοί απέχουν μεταξύ τους απόσταση \[3d\]. Οι συνολικές εντάσεις του μαγνητικού πεδίου των δύο αγωγών \[\vec{B}_K,\, \vec{ B}_Λ\] στα σημεία Κ, Λ είναι ίσες. Οι αγωγοί διαρρέονται από ρεύματα \[Ι_1,\, Ι_2\] αντίστοιχα. Ο λόγος των εντάσεων \[\frac{I_1}{I_2}\] 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:

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:

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:

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: