POHYB ELEKTRONU VE ZKŘÍŽENÝCH POLÍCH – MOTIVACE
Pohyby nabitých částic v elektrickém a magnetickém poli se řídí Lorentzovou pohybovou rovnicí, kterou sestavil v roce 1892 Hendrik Antoon Lorentz (1853–1928). Tato rovnice má tvar:
| F = q(E+v×B) | (1) |
Jak je vidět, síla se skládá ze dvou složek, první složkou je síla od elektrického pole a druhou síla od magnetického pole, přičemž složka od elektrického pole částici urychluje (brzdí) a složka od magnetického pole zakřivuje dráhu částice, aniž by ovlivnila její rychlost. Elektrické pole působí na nabitou částici silou ve směru siločar, magnetické pole kolmo na siločáry To je dáno vektorovým součinem v Lorentzově síle.
Hendrik Antoon Lorentz
Tohoto zákona se využívá v mnoha odvětvích lidské činnosti. Pro názornost uveďme ty nejznámější:
Urychlovače částic: Cyklotrony, betatrony i synchrotrony využívají Lorentzovy pohybové rovnice k zakřivení a následnému urychlení svazků částic na vysoké energie. S takto urychlenými svazky pak vědci dále pracují. Mohou je srážet a zjišťovat produkty srážky, tak jako to dělají na největším synchrotronním urychlovači světa LHC (Large Hadron Collider) v evropském středisku jaderného výzkumu CERN. Nebo vhodně zakřiví dráhu urychleného svazku elektronů, čímž dojde k produkci elektromagnetického záření (tzv. synchrotronové záření), využívaného k dalším experimentům. V Grenoblu ve Francii je největší elektronový synchrotron v Evropě (ESRF) určený právě k produkci synchrotronového záření.
CRT obrazovky: Klasické CRT obrazovky využívají také Lorentzova zákona k urychlení a vychylování elektronového svazku emitovaného z katody a dopadajícího na stínítko (anodu) obrazovky. Elektronový svazek se pohybuje řádek po řádku přes celou obrazovku. Pokud by elektronový svazek nebyl vychylován, svítil by na obrazovce pouze jeden jediný bod. Pokud by nebyl urychlován, obrazovka by nesvítila vůbec.
Elektronová mikroskopie: U skenovacího elektronového mikroskopu je díky Lorentzovu zákonu vychylován svazek elektronů dopadající na vzorek a následně jsou detekovány odražené elektrony. Skenovacímu elektronovému mikroskopu se také někdy říká řádkovací, protože svazek skenuje řádek po řádku.
Sluneční vítr: Nabité částice ze Slunce se pohybují sluneční soustavou v meziplanetárních elektrických a magnetických polích. Mohou být zachyceny magnetosférou Země a způsobit v lepším případě polární záře, v horším výpadky telekomunikačních zařízení, dálkových rozvodů elektrické energie atd.
První fotografie pozitronu v mlžné komoře. Elektron by měl kvůli zápornému náboji
dráhu zakřivenou na opačnou stranu.
Jak je vidět z výše uvedených příkladů, je studium pohybu nabitých částic v elektrických a magnetických polích důležité pro pochopení principu mnoha zařízení, se kterými můžeme přijít do styku. V následující kapitole bude podrobně rozebrán Lorentzův zákon včetně zobrazení trajektorií v jednotlivých příkladech.
• • •
Tyto materiály vznikly v rámci projektu OPPA CZ.2.17/3.1.00/33306 Inovace předmětů a studijních materiálů pro e-learningovou výuku v prezenční a kombinované formě studia.
Evropský sociální fond
Praha & EU:
Investujeme do vaší budoucnosti