Question 1

מהו כוח לורנץ וכיצד הוא משפיע על מטענים נעים?

Accepted Answer

כוח לורנץ הוא הכוח המופעל על ידי שדה מגנטי על מטען חשמלי נע. גודלו מחושב באמצעות qVB sine theta, כאשר q הוא המטען, V הוא המהירות, B הוא עוצמת השדה המגנטי, ו-theta היא הזווית בין המהירות לשדה. הכוח הוא מקסימלי כאשר המהירות והשדה המגנטי ניצבים זה לזה, והוא פועל בניצב לשניהם, ובכך משנה את כיוון תנועתו של המטען מבלי להשפיע על מהירותו.

Question 2

מדוע חלקיקים טעונים נעים במסלול מעגלי בשדה מגנטי?

Accepted Answer

כאשר חלקיק טעון נע בניצב לשדה מגנטי, כוח לורנץ פועל ככוח צנטריפוגלי (כוח מרכזי), המופנה תמיד לעבר מרכז המסלול. כוח זה משנה ללא הרף את כיוונו של החלקיק תוך שמירה על מהירות קבועה, ובכך גורם לו לנוע במסלול מעגלי. רדיוס מסלול זה תלוי ביחס המטען-מסה של החלקיק, במהירותו ובעוצמת השדה המגנטי.

Question 3

כיצד השתמש J.J. Thomson בשפופרת קרני קתודה כדי לגלות את מטענו של האלקטרון?

Accepted Answer

תומסון הדגים שניתן להסיט קרני קתודה באמצעות שדה מגנטי בתוך צינור מרוקן, ובכך הוכיח כי אלקטרונים נושאים מטען שלילי. על ידי מדידת זווית ההסטה ויישום הקשר בין כוח לורנץ לכוח צנטריפוגלי, הוא חישב את יחס המטען-מסה של האלקטרון. ניסוי מכרך זה ביסס את העובדה כי אלקטרונים הם חלקיקים יסודיים בעלי תכונות חשמליות מדידות.

Question 4

אילו שלוש מדידות נדרשות כדי לחשב את יחס המטען-למסה של אלקטרון?

Accepted Answer

על מנת לקבוע את יחס המטען-מסה באופן ניסיוני, יש צורך במתח ההאצה המאיץ את האלקטרונים, בעוצמת השדה המגנטי המופעל כדי להסיט אותם, וברדיוס המסלול המעגלי שבו נעים האלקטרונים. שלושה פרמטרים אלו, בשילוב עם משוואת כוח לורנץ והחוק השני של ניוטון, מאפשרים לחשב את יחס המטען-מסה של האלקטרון מתוך נתוני שפופרת קרני הקתודה.

Question 5

כיצד משפיעה העלאת מתח ההאצה על סטיות קרן האלקטרונים בשדה מגנטי?

Accepted Answer

ככל שמתח ההאצה עולה, האלקטרונים נעים מהר יותר ודורשים שדה מגנטי חזק יותר כדי להשיג את אותה סטייה. האלקטרונים הנעים במהירות גבוהה יותר חווים את אותו כוח לורנץ, אך הם עוקבים אחר מסלול מעגלי גדול יותר. כתוצאה מכך, יש להגדיל את זרם הסליל כדי להפיק עוצמת שדה מגנטי מספקת שתכופף את הגסמה לאותה נקודה על הסריג.

Question 6

מהם היישומים המעשיים של חלקיקים טעונים הנעים במסלולים מעגליים דרך שדות מגנטיים?

Accepted Answer

ספקטרומטרי מסה משתמשים בעיקרון זה כדי לזהות רכיבים לא ידועים בדגימה על ידי הפרדת חלקיקים על בסיס יחס המטען-מסה והמתח המופעל. מבחינה היסטורית, שפופרות קרני קתודה אפשרו את תצוגות הטלוויזיה ומסכי המחשב. אוסילוסקופים מודרניים עדיין עושים שימוש בטכנולוגיית שפופרות קרני קתודה, אם כי בדרך כלל הם משתמשים בהסטה אלקטרוסטטית במקום בהסטה מגנטית כדי לשלוט בקרני האלקטרונים.

Question 7

כיצד קובע כלל יד ימין את כיוון הכוח הפועל על מטען חיובי בשדה מגנטי?

Accepted Answer

כלל אגודל הימין מצביע על כיוון כוח לורנץ הפועל על מטען חיובי. יש להפנות את האגודל לכיוון המהירות, את האצבעות לכיוון השדה המגנטי, וכף היד תפנה לכיוון הכוח. שלושת הווקטורים נותרים מאונכים זה לזה. עבור מטענים שליליים, הכוח פועל בכיוון ההפוך, וזו הסיבה ששינוי כיוון הזרם הופך את נתיב ההסטה של הגרה.

מטען חשמלי בשדה מגנטי - חידון הערכה