Edits to “Условие”, “Решение”, “1. Модель задачи”

Valter edited
revision #19758 parent #19757 ← older newer →
@@ -1,61 +1,66 @@
### Условие
−$7.2.9.$ [Вставьте условие задачи]
+$7.2.9.$ Тонкий параллельный пучок заряженных частиц, ускоренных разностью потенциалов $V_0$, проходит через центр равномерно заряженной сферической полости. На каком расстоянии сфокусируется этот пучок, если потенциал в центре сферы $V \ll V_0$?
### Решение
−### Условие
+В данном решении задача рассматривается в строгом соответствии с текстом условия: модель представляет собой равномерно заряженную сферическую полость (пустую внутри оболочку), весь заряд которой сосредоточен на поверхности и у которой есть 2 небольших отверстия для пролета пучка заряженных частиц.
−$7.2.9.$ Тонкий параллельный пучок заряженных частиц, ускоренных разностью потенциалов $V_0$, проходит через центр равномерно заряженной сферической полости. На каком расстоянии сфокусируется этот пучок, если потенциал в центре сферы $V \ll V_0$?
+#### 1. Модель задачи
−### Решение
+Для начала обоснуем, почему продольную скорость частиц $v$ можно считать неизменной. Начальная кинетическая энергия частиц равна $qV_0$. При пролете сквозь поле заряженной сферы энергия частицы изменяется на величину порядка $qV$. Поскольку по условию $V \ll V_0$, изменение энергии $qV \ll qV_0$ является пренебрежимо малым. Мы вправе считать, что частица летит через всю систему с постоянной продольной скоростью $v$.
+Для расчета электрических полей применим "принцип суперпозиции". Представим реальную оболочку с двумя отверстиями как наложение двух систем:
+1. Идеальная сплошная заряженная сфера с поверхностной плотностью $\sigma$.
+2. Два небольших диска с плотностью заряда $-\sigma$, расположенных в местах входного и выходного отверстий (они «вырезают» дырки в сплошной сфере).
−В данном решении задача рассматривается в строгом соответствии с текстом условия: мишень представляет собой равномерно заряженную сферическую полость (пустую внутри оболочку), весь заряд которой сосредоточен на поверхности.
+Поле внутри идеальной сплошной сферы строго равно нулю. Следовательно, всё электрическое поле внутри полости создается исключительно этими двумя локальными дисками. Поле каждого диска максимально вблизи самого отверстия и стремительно затухает при удалении от него. Поэтому изменение импульса частицы происходит не плавно, а в виде двух резких «толчков» в моменты прохождения сквозь отверстия.
−#### 1. Вычисление поперечного импульса
+#### 2. Первый поперечный импульс на входе
−Для нахождения поперечного импульса $p_\perp$, который приобретает частица, летящая на расстоянии $x$ от оси пучка ($x \ll R$), воспользуемся интегральной формой теоремы Гаусса. Выделим мысленный бесконечный цилиндр радиуса $x$, ось которого совпадает с траекторией частицы.
+Пусть частица летит на расстоянии $x$ от оси симметрии пучка ($x \ll R$). Чтобы найти суммарный поперечный импульс, полученный при прохождении первого отверстия, применим теорему Гаусса. Выделим мысленный цилиндр радиуса $x$, ось которого совпадает с траекторией частицы, охватывающий только область первого отверстия (от пространства далеко снаружи до области достаточно глубоко внутри полости, где поле первого диска уже затухло).
−Поток вектора напряженности через боковую поверхность этого цилиндра:
−$$ \Phi = \int E_\perp \cdot 2\pi x \, dz = 2\pi x \int E_\perp \, dz $$
+Цилиндр вырезает из заряженной оболочки площадку с зарядом $\Delta q_1 = \pi x^2 \sigma$.
+По теореме Гаусса поток вектора напряженности через боковую поверхность этого цилиндра:
+$$ 2\pi x \int_{1} E_\perp dz = \frac{\pi x^2 \sigma}{\varepsilon_0} $$
−По теореме Гаусса этот поток равен заряду внутри цилиндра, деленному на $\varepsilon_0$. Наш мысленный цилиндр вырезает из тонкой сферической оболочки две маленькие площадки (на входе и на выходе). Площадь каждой такой площадки примерно равна $\pi x^2$.
+Отсюда интеграл поперечного поля в зоне первого отверстия:
+$$ \int_{1} E_\perp dz = \frac{\sigma x}{2\varepsilon_0} $$
−Суммарный заряд этих двух площадок (где $\sigma$ — поверхностная плотность заряда оболочки):
−$$ \Delta q = 2 (\pi x^2 \sigma) = 2 \pi x^2 \sigma $$
+Поперечный импульс, который частица приобретает, пробивая локальное поле входного отверстия:
+$$ p_{\perp 1} = \int q E_\perp \frac{dz}{v} = \frac{q}{v} \int_{1} E_\perp dz = \frac{q \sigma x}{2\varepsilon_0 v} $$
−Приравниваем выражения:
−$$ 2\pi x \int E_\perp \, dz = \frac{2 \pi x^2 \sigma}{\varepsilon_0} $$
+#### 3. Проверка фокусировки внутри полости
−Отсюда находим интеграл поперечного поля вдоль всей траектории:
−$$ \int E_\perp \, dz = \frac{\sigma x}{\varepsilon_0} $$
+Получив первый поперечный импульс, частица летит вглубь полости. У нее появляется поперечная скорость $v_\perp = \frac{p_{\perp 1}}{m}$, направленная к оси пучка.
−Поперечный импульс, получаемый частицей за время полета:
−$$ p_\perp = \int F_\perp \, dt = \int q E_\perp \frac{dz}{v} = \frac{q}{v} \int E_\perp \, dz $$
−$$ p_\perp = \frac{q \sigma x}{\varepsilon_0 v} $$
+Время, за которое частица долетела бы до оси, равно $t = \frac{x}{v_\perp}$. За это же время по горизонтали она пролетит расстояние $f_1$ (фокусное расстояние после первого отверстия):
+$$f_1 = vt = v \frac{x}{v_\perp} = x \frac{v}{v_\perp} = x \frac{mv}{p_{\perp 1}}$$
−#### 2. Геометрия траектории и фокусное расстояние
+Подставляем найденный импульс:
+$$f_1 = x \frac{mv}{\frac{q \sigma x}{2\varepsilon_0 v}} = \frac{2mv^2 \varepsilon_0}{q \sigma}$$
−Приобретя поперечный импульс $p_\perp$, частица начинает двигаться к оси пучка. Из подобия скоростей и геометрических размеров (где $f$ — искомое фокусное расстояние):
−$$ \frac{f}{x} = \frac{v}{v_\perp} $$
+Кинетическая энергия частиц задается ускоряющим напряжением: $mv^2 = 2qV_0$.
+Потенциал в центре заряженной сферы $V = \frac{\sigma R}{\varepsilon_0}$, откуда $\sigma = \frac{\varepsilon_0 V}{R}$.
+Подставляем это в формулу для $f_1$:
+$$f_1 = \frac{2(2qV_0) \varepsilon_0}{q \left(\frac{\varepsilon_0 V}{R}\right)} = 4R \frac{V_0}{V}$$
−Поскольку поперечная скорость $v_\perp = \frac{p_\perp}{m}$, выражаем фокус:
−$$ f = x \frac{m v}{p_\perp} = x \frac{m v}{\frac{q \sigma x}{\varepsilon_0 v}} = \frac{m v^2 \varepsilon_0}{q \sigma} $$
+По условию $V \ll V_0$, а значит, $f_1 \gg R$. Пучок летит слишком быстро и не успевает сфокусироваться внутри полости. Частицы долетают до выходного отверстия практически на том же расстоянии $x$ от оси.
−#### 3. Связь с параметрами условия
+#### 4. Второй импульс и итоговое фокусное расстояние
−Кинетическая энергия частиц пучка задается ускоряющей разностью потенциалов $V_0$:
−$$ \frac{mv^2}{2} = qV_0 \implies mv^2 = 2qV_0 $$
+Пролетая сквозь выходное отверстие на удалении $x$, частица пересекает локальное поле второго «вырезанного» диска и получает второй, абсолютно такой же поперечный импульс:
+$$ p_{\perp 2} = \frac{q \sigma x}{2\varepsilon_0 v} $$
−Потенциал в центре полой заряженной сферы радиуса $R$ равен:
−$$ V = \frac{\sigma R}{\varepsilon_0} \implies \sigma = \frac{\varepsilon_0 V}{R} $$
+Полный поперечный импульс после вылета из мишени:
+$$ p_\perp = p_{\perp 1} + p_{\perp 2} = \frac{q \sigma x}{\varepsilon_0 v} $$
−Подставляем $mv^2$ и $\sigma$ в формулу для фокусного расстояния:
−$$ f = \frac{(2qV_0) \varepsilon_0}{q \left( \frac{\varepsilon_0 V}{R} \right)} $$
−$$ f = 2R \frac{V_0}{V} $$
+Итоговое фокусное расстояние $f$ всей системы:
+$$ f = x \frac{mv}{p_\perp} = x \frac{mv}{\frac{q \sigma x}{\varepsilon_0 v}} = \frac{mv^2 \varepsilon_0}{q \sigma} $$
−*Примечание: Данный результат является строгим следствием для пустой сферической оболочки. Ответ в самом задачнике вероятно получен для альтернативной модели — сплошного заряженного шара, в котором проделан сквозной цилиндрический канал.*
+Снова подставляя $mv^2 = 2qV_0$ и $\sigma = \frac{\varepsilon_0 V}{R}$, получаем окончательный ответ:
+$$ f = \frac{(2qV_0) \varepsilon_0}{q \left(\frac{\varepsilon_0 V}{R}\right)} = 2R \frac{V_0}{V} $$
#### Ответ
+$$f=2R\frac{V_0}{V}$$
−[Вставьте краткий ответ или результат в рамке]
+*Примечание: Данный результат является строгим следствием для пустой сферической оболочки. Ответ в самом задачнике вероятно получен для альтернативной модели — сплошного заряженного шара, в котором проделан сквозной цилиндрический канал.*