物理 > 動く解説 > 物理 第4編 電気と磁気|第3章 電流と磁場
真上から見た平面。左の区域には右向きの一様な電場 \(E\),右の区域には画面の表から裏へ向かう一様な磁場 \(B\) がある。 左の区域に,正の電荷 \(Q\)・質量 \(m\) の粒子を静かに置くと動き出す。このあと粒子は,どのように動き続けるのだろうか。
\(v\) は境目での速さ。粒子は往復をくり返しながら一方へずれていき,\(y\) の時間のグラフは階段の形になる。
① 電場の中で加速 → ② 磁場の中で半円 → ③ 電場の中で止まって戻る → ④ くり返し,の順に見る。
正の電荷は電場の向きに静電気力 \(QE\) を受ける。粒子は右へ加速し,距離 \(d\) 進んで速さ \(v\) で境目に着く (\(QEd = \dfrac12 mv^2\))。
磁場の中を動く電荷は,動く向きに垂直な力 \(QvB\)(ローレンツ力)を受ける。
力がいつも速度に垂直なので,仕事をしない。速さは \(v\) のままで,向きだけが変わる。
中心向きの力 \(m\dfrac{v^2}{r}\) がローレンツ力 \(QvB\) と等しいので,\(r = \dfrac{mv}{QB}\)。 半周して境目に戻ると,入った所から直径 \(2r\) ずれて,左向きに進む。
左向きに電場へ入ると,力 \(QE\) は右向きなので減速する。同じ強さの力で,同じ速さ \(v\) から減速するので,同じ距離 \(d\) で止まる。 止まった粒子は,また右へ加速して境目へ向かう。
磁場に入るときはいつも右向きなので,毎回同じ向きに曲がる。だから,半円をえがくたびに \(2r\) ずつ同じ向きにずれ,ずれがたまっていく。
電場の中では \(y\) が変わらないので平ら。磁場の中で半円をえがくあいだに \(2r\) 増える。
電場の中では放物線の谷,磁場の中では山。谷のいちばん下は止まる点で,速度が 0 なので傾きも 0。 底を尖らせるのは誤りで,なめらかにつながる。
速さは変わらず,半径 \(r = \dfrac{mv}{QB}\) の半円。直径 \(2r\) だけずれて戻る。
行って,同じ距離で止まって,戻る。止まる点は速度 0 = グラフの傾き 0。
電場の中の行きの時間を \(t_1\) とすると,\(d = \dfrac12\cdot\dfrac{QE}{m}t_1^{\,2}\) より \(t_1 = \sqrt{\dfrac{2md}{QE}}\)。帰りに止まるまでも同じ \(t_1\)。 半円は周期の半分で \(\dfrac{\pi m}{QB}\)(速さによらない)。だから 1 回(止まってから次に止まるまで)は \(2t_1 + \dfrac{\pi m}{QB}\)。
磁場が画面の裏から表へ向かうと,境目で受ける力の向きが逆になり,粒子は反対の向きに曲がる。半円の大きさは同じで,ずれる向きだけが逆になる (\(y\) のグラフは下がっていく階段)。電荷が負のときも同じように向きが逆になる。