Τεστ στο Μαγνητικό πεδίο (Επίπεδο δυσκολίας: Δύσκολο)

Το τετράγωνο πλαίσιο ΚΛΜΝ του παρακάτω σχήματος έχει πλευρά \[α\] και έχει το επίπεδό του κατακόρυφο. Το πλαίσιο διαρρέεται από ρεύμα έντασης \[Ι_2\] που έχει φορά τη φορά της κίνησης των δεικτών του ρολογιού. Οριζόντιος ευθύγραμμος αγωγός (1) διαρρέεται από ρεύμα έντασης \[Ι_1\] που έχει φορά προς τα δεξιά, βρίσκεται στο ίδιο κατακόρυφο επίπεδο με το επίπεδο του πλαισίου και απέχει απ’ την πλευρά του ΚΛ απόσταση \[α\]. Το τετράγωνο πλαίσιο αιωρείται ακίνητο σε κάποιο ύψος απ’ το έδαφος. Η επιτάχυνση της βαρύτητας έχει μέτρο \[g\]. Αν αντιστρέψουμε τη φορά του ρεύματος του αγωγού (1), τότε το πλαίσιο θ’ αποκτήσει αρχική επιτάχυνση μέτρου:

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:

Στο παρακάτω σχήμα α φαίνεται η εγκάρσια διατομή ακτίνας \[R\] ενός ευθύγραμμου κυλινδρικού αγωγού μεγάλου μήκους. Ο αγωγός διαρρέεται από ρεύμα \[Ι\] που είναι ομοιόμορφα κατανεμημένο στη διατομή του. Στο σχήμα β φαίνεται η γραφική παράσταση της συνάρτησης του μέτρου της έντασης του μαγνητικού πεδίου του αγωγού στα διάφορα σημεία του χώρου με την απόσταση \[r\] των σημείων αυτών από τον άξονα του αγωγού. Η μαγνητική διαπερατότητα του κενού είναι \[μ_0\]. Η απόσταση \[r_2\] είναι ίση με:

Οι τρεις ρευματοφόροι αγωγοί μεγάλου μήκους (1), (2), (3) έχουν τομές με τη σελίδα πάνω στις κορυφές Α, Γ, Δ αντίστοιχα ενός τετραγώνου ΑΓΔΕ πλευράς \[α\] όπως φαίνεται στο διπλανό σχήμα. Οι αγωγοί (1), (3) διαρρέονται από ρεύματα ίδιας έντασης \[I_1=I_3=I\]. Η συνολική ένταση του μαγνητικού πεδίου στην κορυφή Ε είναι μηδενική. Η ένταση του ρεύματος του αγωγού 2 είναι:

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:

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:

\[1\] 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:

Θετικά φορτισμένο σωματίδιο φορτίου \[q\] και μάζας \[m\] εισέρχεται στην στήλη ΚΛΜΝ ομογενούς μαγνητικού πεδίου έντασης \[\vec{B}\] από το σημείο Ζ της πλευράς ΚΝ με ταχύτητα \[υ\] που είναι κάθετη στην ΚΝ και στις δυναμικές γραμμές του πεδίου. Το σωματίδιο διαγράφει κυκλικό τμήμα και εξέρχεται απ’ το όριο ΛΜ του πεδίου με ταχύτητα που σχηματίζει με αυτό γωνία \[60^0\] όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Η απόσταση \[d=ΚΛ\] που εκτείνεται το μαγνητικό πεδίο στη διεύθυνση της ταχύτητας εισόδου του σωματιδίου στο ομογενές μαγνητικό πεδίο είναι:

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;

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

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:

Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές; Το διάνυσμα της έντασης του μαγνητικού πεδίου στο κέντρο κυκλικού ρευματοφόρου αγωγού:

Φορτισμένο σωματίδιο εισέρχεται κάθετα στις δυναμικές γραμμές ομογενούς μαγνητικού πεδίου. Το σωματίδιο δέχεται μόνο τη δύναμη Lorentz \[\vec{F}_{Lo}\] από το πεδίο αυτό. Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές; Η επιτάχυνση που αποκτά το σωματίδιο μέσα στο μαγνητικό πεδίο είναι:

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 \[Τ_α\] είναι η περίοδος της κυκλικής τροχιάς του σωματίου \[α\], τότε η χρονική διάρκεια \[Δt\] μεταξύ της εξόδου του ενός και του άλλου σωματιδίου απ’ το πεδίο είναι:

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:

Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Η διεύθυνση της δύναμης Lorentz \[\vec{F}_{Lo}\] που δέχεται ένα φορτισμένο σωματίδιο όταν κινείται μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο:

Στο πείραμα του Oersted, ο ευθύγραμμος αγωγός δεν διαρρέεται αρχικά από ρεύμα ενώ η μαγνητική βελόνα που βρίσκεται σε κάποια απόσταση απ’ αυτόν έχει προσανατολιστεί με τον άξονά της παράλληλα στον αγωγό. Όταν ο ευθύγραμμος αγωγός διαρρέεται από ρεύμα σταθερής τιμής, ο άξονας της βελόνας σχηματίζει γωνία \[θ\] με τον αγωγό. Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Αν διπλασιάσουμε την ένταση του ρεύματος του αγωγού χωρίς ν’ αλλάξουμε τη φορά του, τότε η βελόνα:

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:

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; Για τα μέτρα των ταχυτήτων τους ισχύει:

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:

Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Ένα στοιχειώδες τμήμα \[Δ\ell\] ενός ρευματοφόρου αγωγού δημιουργεί σε σημείο Α που απέχει απ’ αυτό απόσταση \[r\] μαγνητικό πεδίο έντασης \[Δ\vec{B}\] που η διεύθυνσή της:

Στο παρακάτω σχήμα ο αγωγός διαρρέεται από ρεύμα σταθερής έντασης \[Ι\]. Τα στοιχειώδη τμήματα \[Δ\ell_1\, , \, Δ\ell_2\] απέχουν ίδια απόσταση \[r\] από το σημείο Α της σελίδας που βρίσκεται ο αγωγός. Οι εντάσεις του μαγνητικού πεδίου λόγω των δύο τμημάτων στο σημείο Α είναι \[Δ\vec{B}_1\, ,\, Δ\vec{Β}_2 \] αντίστοιχα. Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές; Για τις δύο εντάσεις \[Δ\vec{B}_1\, , \, Δ\vec{B}_2\] ισχύει ότι:

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:

Οι δύο παράλληλοι ευθύγραμμοι ρευματοφόροι αγωγοί (1), (2) απείρου μήκους διαρρέονται από ομόρροπα ρεύματα \[Ι_1\] και \[Ι_2\] αντίστοιχα. Στο σημείο Μ που είναι το μέσο της απόστασης \[r\] των δύο αγωγών η ένταση του μαγνητικού πεδίου λόγω του αγωγού (1) έχει μέτρο \[B_1\] ενώ η συνολική ένταση του μαγνητικού πεδίου λόγω των δύο αγωγών έχει μέτρο \[Β_{ολ}=7Β_1\].

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:

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:

Δύο φορτισμένα σωματίδια \[(1)\, , \, (2)\] με φορτία \[q_1\, , \, q_2\] με \[ q_1 > 0\, , \, q_2<0\] και \[|q_1 |=|q_2 |\] βάλλονται στο εσωτερικό ενός ομογενούς μαγνητικού πεδίου έντασης \[\vec{B}\]. Το σωματίδιο \[(1)\] έχει ταχύτητα μέτρου \[υ_1=υ\] που είναι κάθετη στις δυναμικές γραμμές του πεδίου. Το σωματίδιο \[(2)\] έχει ταχύτητα μέτρου \[υ_2=2υ\] που σχηματίζει γωνία \[30^0\] με τις δυναμικές γραμμές του πεδίου. Αν οι δυνάμεις Lorentz που δέχονται τα σωματίδια απ’ το ομογενές μαγνητικό πεδίο είναι \[\vec{F}_{{Lo}_1} \] και \[\vec{F}_{{Lo}_2 }\] αντίστοιχα, τότε ισχύει:

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:

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

Στο παρακάτω σχήμα φαίνονται τα διαγράμματα του μέτρου της έντασης των μαγνητικών πεδίων δύο ρευματοφόρων σωληνοειδών \[Σ_1,\, Σ_2\] κοντά στο κέντρο τους σε συνάρτηση με την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος που τα διαρρέει. Τα σωληνοειδή έχουν αριθμό σπειρών \[Ν_1,\, Ν_2\], μήκη \[\ell_1,\, \ell_2\] και αριθμό σπειρών ανά μονάδα μήκους \[n_1,\, n_2\] αντίστοιχα. Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Σύμφωνα με το παραπάνω διάγραμμα: