Τεστ στο Μαγνητικό πεδίο (Επίπεδο δυσκολίας: Δύσκολο)

Οι δύο οριζόντιοι παράλληλοι αγωγοί \[Αx_1\] και \[Γx_2\] του παρακάτω σχήματος έχουν μεταξύ τους απόσταση \[\frac{\ell}{3}\] και αμελητέα εσωτερική αντίσταση. Στα άκρα τους Α, Γ συνδέω πηγή με ΗΕΔ \[\mathcal{E}\] και εσωτερική αντίσταση \[\frac{2R}{3}\]. Πάνω στους αγωγούς και κάθετα στη διεύθυνσή τους τοποθετώ ευθύγραμμο ομογενή και ισοπαχή αγωγό ΚΛ μήκους \[\ell\] και αντίστασης \[R\], έτσι ώστε τα άκρα τους Κ, Λ να απέχουν το ίδιο απ’ τους αγωγούς \[Αx_1\] και \[Γx_2\] αντίστοιχα. Ο αγωγός βρίσκεται εξ’ ολοκλήρου σε ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης μέτρου \[B\] που οι δυναμικές γραμμές του είναι κάθετες στο επίπεδο που σχηματίζουν οι τρεις αγωγοί. Το μέτρο της δύναμης Laplace που δέχεται ο αγωγός ΚΛ απ’ το ομογενές μαγνητικό πεδίο είναι:

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:

Ποιες απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές;

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:

Ο αγωγός του παρακάτω σχήματος διαρρέεται από ρεύμα έντασης \[Ι\]. Το στοιχειώδες τμήμα του \[Δ\ell\] απέχει απ’ τα σημεία Α και Γ της σελίδας ίδια απόσταση \[r\]. Λόγω του \[Δ\ell\] δημιουργείται στα σημεία Α, Γ μαγνητικό πεδίο έντασης \[Δ\vec{B}_A\, , \, Δ\vec{B}_Γ\] αντίστοιχα. Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Για τα διανύσματα \[Δ\vec{B}_A\, , \, Δ\vec{B}_Γ \] ισχύει:

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

Στο παρακάτω σχήμα ο βρόχος \[S\] περικλείει ρεύματα εντάσεων \[Ι_1\, , \, Ι_2 \, , \, Ι_3\] ενώ το ρεύμα έντασης \[Ι_4\] είναι εκτός βρόχου. Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Σύμφωνα με το νόμο του Ampere το άθροισμα \[∑B\cdot Δ\ell\cdot συνθ\] είναι ίσο με:

Το εύκαμπτο ευθύγραμμο σύρμα μεγάλου μήκους του παρακάτω σχήματος σ’ ένα τμήμα του κάμπτεται ώστε να δημιουργηθεί κυκλικός αγωγός ακτίνας \[α\]. Το επίπεδο του κυκλικού αγωγού ταυτίζεται με το κατακόρυφο επίπεδο πάνω στο οποίο βρίσκεται το ευθύγραμμο σύρμα. Το σύρμα διαρρέεται από σταθερό ρεύμα έντασης \[Ι\]. Η συνολική ένταση του μαγνητικού πεδίου στο κέντρο Κ του κυκλικού αγωγού έχει μέτρο:

Σωματίδιο μάζας \[m\] και φορτίου \[q\] εισέρχεται μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης \[\vec{B}\] με ταχύτητα \[\vec{υ}\] που σχηματίζει γωνία \[φ\] \[(0 < φ < 90^0)\] με τις δυναμικές του γραμμές. Ποιες απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές; Αν μεταβάλω τη γωνία \[φ\] κατά την είσοδο του σωματιδίου στο πεδίο αλλά αυτή να παραμένει συνεχώς μεταξύ των τιμών \[0 < φ < 90^0 \] τότε δεν θα μεταβληθεί:

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 \[(m_p=m_n )\]. Η απόσταση \[d\] είναι ίση με:

Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Φορτισμένο σωματίδιο κινείται μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης \[\vec{B}\] με ταχύτητα \[\vec{υ}\]. Το σωματίδιο δέχεται τη μέγιστη κατά μέτρο δύναμη Lorentz \[\vec{F}_{Lo}\] αν:

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:

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. Το διάνυσμα της μεταβολής της ορμής του σωματιδίου λόγω της παραμονής του στο πεδίο σχηματίζει με το όριο του πεδίου γωνία:

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:

Ο αγωγός του παρακάτω σχήματος είναι απείρου μήκους και διαρρέεται από ρεύμα σταθερής έντασης \[Ι\]: Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Για τα διανύσματα \[\vec{Β}_Γ,\, \vec{B}_Δ\] των εντάσεων του μαγνητικού πεδίου στα σημεία Γ και Δ ισχύει:

Στο παρακάτω σχήμα ο αγωγός (1) είναι κυκλικό τμήμα με ακτίνα \[r\] κέντρου Κ που βαίνει σε γωνία \[θ\] και διαρρέεται από ρεύμα έντασης \[Ι\]. Ο αγωγός (2) είναι ευθύγραμμος μεγάλου μήκους, διαρρέεται από ρεύμα \[Ι'=\frac{π}{12} Ι\] και απέχει απ’ το κέντρο Κ απόσταση \[α=\frac{r}{2}\]. Οι δύο αγωγοί βρίσκονται στο επίπεδο της σελίδας και οι φορές των ρευμάτων τους φαίνονται στο σχήμα. Στο κέντρο Κ το μέτρο της έντασης του μαγνητικού πεδίου που οφείλεται και στους δύο αγωγούς είναι διπλάσιο απ’ το μέτρο της έντασης που οφείλεται μόνο στον ευθύγραμμο. Η γωνία \[θ\] που βαίνει ο αγωγός (1) 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 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 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 \[(m_p=m_n )\]. Ο χρόνος παραμονής στο μαγνητικό πεδίο \[\vec{B}'\] του πρωτίου είναι \[t_π\] και του δευτερίου \[t_δ\]. Για τη διαφορά τους \[t_δ-t_π\] ισχύει:

Αρνητικά φορτισμένο σωματίδιο εισέρχεται από σημείο Κ σε ομογενές μαγνητικό πεδίο με ορμή \[\vec{p}\] και ταχύτητα \[ υ_1 \] που είναι κάθετη στις δυναμικές γραμμές του πεδίου και στο όριό του ΔΕ όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Το σωματίδιο δέχεται μόνο τη δύναμη απ’ το πεδίο και εξέρχεται από σημείο Λ του ίδιου ορίου ΔΕ εκτελώντας κυκλική κίνηση ακτίνας \[R_1\] και συχνότητας \[f_1\]. Λόγω της παραμονής του στο πεδίο η μεταβολή του μέτρου της ορμής του είναι \[ Δ | \vec{ p } | \] ενώ το μέτρο της μεταβολής της ορμής του είναι \[ | Δ \vec{p} | \]. Ποιες απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές;

Δύο ισότοπα του ίδιου ιόντος (έχουν ίσα φορτία) αφού περάσουν απ’ τον επιλογέα ταχυτήτων χωρίς να αποκλίνουν της ευθύγραμμης τροχιάς τους εισέρχονται στο ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης \[\vec{B}'\] ενός φασματογράφου μάζας. Ποιες απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές; Τα δύο ιόντα:

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:

Τα τρία πρωτόνια (1), (2), (3) του παρακάτω σχήματος εκτοξεύονται ταυτόχρονα απ’ το ίδιο σημείο Α ομογενούς μαγνητικού πεδίου με ταχύτητες μέτρων \[υ_1\, , \, υ_2\, , \, υ_3\] αντίστοιχα που είναι κάθετες στις δυναμικές γραμμές του πεδίου. Τα πρωτόνια επιστρέφουν για πρώτη φορά στο σημείο βολής τους αφού το καθένα έχει διαγράψει μια πλήρη περιστροφή και θεωρούμε ότι ασκείται σ’ αυτά μόνο η δύναμη Lorentz απ’ το μαγνητικό πεδίο. Στο σχήμα φαίνονται οι τροχιές που διαγράφουν τα πρωτόνια μέσα στο μαγνητικό πεδίο. Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Το διάνυσμα (α) είναι:

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

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:

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 \[t_2 = 4 t_1\]. Αν \[R_1\, , \, R_2\] οι ακτίνες των κυκλικών τροχιών στα πεδία \[(1)\, , \, (2)\] αντίστοιχα, τότε ισχύει:

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:

Στα παρακάτω σχήματα έχουν καθοριστεί οι πόλοι του μαγνητικού πεδίου των κυκλικών ρευματοφόρων αγωγών. Ο σωστός καθορισμών των θέσεων των μαγνητικών πόλων είναι:

Οι δύο παράλληλοι ρευματοφόροι αγωγοί \[(1),\, (2)\] του παρακάτω σχήματος βρίσκονται ακλόνητοι πάνω σε λείο οριζόντιο μονωτικό επίπεδο και διαρρέονται από αντίρροπα ρεύματα \[Ι_1,\, Ι_2\] αντίστοιχα με \[I_1 < I_2\]. Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Η θέση που μπορώ να τοποθετήσω έναν τρίτο παράλληλο ρευματοφόρο αγωγό \[(3)\] ώστε αυτός να ισορροπεί είναι:

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