Esercizio I Consideriamo la zona di spazio nella figura sottostante, nella quale è presente un campo magnetico ortogonale al piano del foglio e uscente da esso. In questa zona di spazio incide un fascio contenente tre tipi di particelle con cariche q1 = e, q2 = 2e, q3 = −e e masse m1 = 3.2 × 10−27 Kg, m2 = 9.6 × 10−27 Kg, m3 = 4.8 × 10−27 Kg, rispettivamente. Assegnare ad ognuna delle tre traiettorie disegnate la corrispondente particella, spiegando i motivi dell’assegnamento. Esercizio I, soluzione La particella 3 ha carica opposta a quella delle altre due, quindi non può che corrispondere alla traiettoria 3, che “gira” in senso opposto alle altre due. mv Il raggio della traiettoria è proporzionale al rapporto massa/carica: r = . Le qB particelle 2 e 3 hanno rapporto massa/carica uguale e opposto, minore (in valore m3 m2 m1 assoluto) di quello per la particella 1: − = > . Di conseguenza la q3 q2 q1 traiettoria 2 (che ha lo stesso raggio di curvatura della traiettoria 3) corrisponde alla particella 2, la traiettoria 1 (con raggio di curvatura minore) alla particella 1. Esercizio II Un protone avente un velocità di 8 × 106 m/s ha una traiettoria ad elica caratterizzata da un passo identico al raggio. Per quale valore di campo magnetico e quale direzione della velocità ciò è possibile? Esercizio II, soluzione Un protone avente un velocità di 8 × 106 m/s ha una traiettoria ad elica caratterizzata da un passo identico al raggio. Per quale valore di campo magnetico e quale direzione della velocità ciò è possibile? Chiamiamo vk e v⊥ le velocità del protone parallele e perpendicolari al campo B. Nel piano ortogonale a B, il protone esegue un moto circolare uniforme di raggio r sotto 2 mv⊥ mv⊥ l’azione della forza di Lorentz eBv⊥: vale eBv⊥ = , ovvero r = . Il periodo r eB del moto è 2πr 2πm = . T = v⊥ eB In tale periodo, il protone percorre lungo la direzione di B uno spazio d = T vk. Uguagliando d e r, troviamo 2πmvk mv⊥ = , eB eB ovvero 2πvk = v⊥ . Notare come tale risultato non dipenda né dalla carica né dalla massa della particella e neanche dal modulo del campo magnetico. Esercizio III Uno ione di massa sconosciuta m e di carica q viene emesso in una regione S, con velocità iniziale trascurabile, accelerato da una differenza di potenziale V ed infine introdotto in un campo magnetico B ortogonale alla sua velocità. Nel campo (che assumiamo costante) lo ione percorre una semicirconferenza e va a colpire una lastra fotografica a distanza x dalla fenditura d’ingresso. B 2q 2 x . • Dimostrare che la massa dello ione è data da m = 8V • Determinare x per uno ione Na+ (di massa m = 38.16 × 10−27 kg) accelerato da una differenza di potenziale di 1000 V in un campo B = 0.5T. Esercizio III, soluzione • La particella di carica q attraversa una differenza di potenziale V e quindi acquista un’energia cinetica mv 2/2 = qV . Una volta penetrata nel campo magnetico con velocità v subisce una forza centripeta f = qvB che causa una traiettoria semicircolare di raggio r, per la quale vale la relazione mv 2/r = f . Da qui si ottiene v = qrB/m, che sostituita nella prima eqauzione dà m(qrB/m)2/2 = qV , da cui m = qr2B 2/2V = qx2B 2/8V giacché x = 2r. p • Dalla relazione prima dimostrata si ottiene x = 8mV /qB 2. Sostituiendo i valori si trova x = 0.087 m, ovvero x = 8.7 cm.