Question 1

ローレンツ力とは何で、どのように動く電荷に影響を与えるのでしょうか？

Accepted Answer

ローレンツ力は磁場が動いている電荷に及ぼす力です。その大きさはqVB sine thetaで計算され、qは電荷、Vは速度、Bは磁場の強さ、θは速度と磁場の間の角度です。力は速度と磁場が垂直であるときに最大となり、両者に垂直に作用し、速度には影響を与えずに電荷の方向を変えます。

Question 2

なぜ帯電した粒子は磁場内で円を描くような軌道をたどるのでしょうか？

Accepted Answer

帯電した粒子が磁場に垂直に動くとき、ローレンツ力が向心力として働き、常に経路の中心に向かって指します。この力は粒子の速度を一定に保ちながら方向を絶えず変え、粒子が円軌道をたどるようにします。この経路の半径は、粒子の電荷質量比、速度、および磁場の強度に依存します。

Question 3

J.J. トムソンはどのように陰極線管を使って電子の電荷を発見したのでしょうか？

Accepted Answer

トムソンは、真空管内でカソード線が磁場によって偏向されることを実証し、電子が負の電荷を持つことを証明しました。測定する偏向角を用いてローレンツ力と向心力の関係を適用することで、彼は電子の電荷対質量比を計算しました。この画期的な実験により、電子が測定可能な電気的特性を持つ基本的な粒子であることが確立されました。

Question 4

電子の電荷対質量比を計算するには、3つの測定値が必要ですか？

Accepted Answer

実験的に電荷対質量比を決定するには、電子を加速する加速電圧、それらを偏向させるために適用される磁場強度、そして電子がたどる円周軌道の半径が必要です。これらの3つのパラメータをローレンツ力の式とニュートンの第二法則と組み合わせることで、陰極線管のデータから電子の電荷対質量比を計算することができます。

Question 5

加速電圧を増やすことは磁場における電子ビームの偏向にどのように影響しますか？

Accepted Answer

加速電圧が増加すると、電子はより速く移動し、同じ偏向を達成するためにより強い磁場を必要とします。より速く移動する電子は同じローレンツ力を経験しますが、より大きな円形の経路をたどります。結果として、グリッド上の同じ点にビームを曲げるために十分な磁場強度を生成するためにコイル電流を増加させる必要があります。

Question 6

電荷を持つ粒子が磁場内で円を描いて移動することの実用的な応用は何ですか？

Accepted Answer

質量分析計はこの原理を利用して、粒子の電荷対質量比と印加電圧に基づいて粒子を分離することで未知のサンプル成分を識別します。歴史的に、陰極線管はテレビとコンピュータモニターのディスプレイを可能にしました。現代のオシロスコープはまだ陰極線管技術を使用していますが、電子ビームを制御するために通常は磁気偏向の代わりに静電偏向を使用します。

Question 7

右手の法則はどのように磁場内の正電荷に対する力の方向を決定しますか？

Accepted Answer

右手の親指の法則は正電荷に対するローレンツ力の方向を示します。親指を速度の方向に、指を磁場の方向に向けると、手のひらが力の方向を向きます。これら3つのベクトルは互いに直交しています。負電荷の場合、力は反対方向に作用するため、電流を逆にするとビームの偏向経路が逆になります。

磁場下における電荷 - 評価クイズ