The solution at revision #19915 of , by Valter. This is not the current version.

Условие

10.2.8. Плоский конденсатор помещен в однородное магнитное поле индукции , параллельное пластинам. Из точки вылетают электроны в направлении,
перпендикулярном магнитному полю. Напряжение, приложенное к пластинам,
равно . При каком условии электроны будут проходить через конденсатор?

К задаче $10.2.8$

Решение

Движение частицы в скрещенных полях можно представить в виде вращения с постоянной по модулю скоростью вокруг центра окружности, который движется с дрейфовой скоростью.(подробное доказательство этого факта смотрите в задаче )
Как известно:
др
Если электрон изначально будет двигаться с этой скоростью, то вращения по окружности просто не будет. То есть электрон движется по прямой. Далее рассмотрим случай, если вращение всё же есть. Перейдём в СО движущуюся со скоростью дрейфа
Тогда скорость, с которой частица вращается вокруг центра:
врдр
Изначально частица находится в верхней точке окружности, по которой будет вращаться.

К задаче $10.2.8$
К задаче

На рисунке показаны возможные траектории вращения электрона в системе, движущейся в дрейфовой скоростью. Для отсутствия столкновения с пластиной конденсатора:

Вспомним формулу для радиусы при вращении по окружности в магнитном поле(напомним, что в этой СО есть только магнитное поле):
вр
Тогда:

Однако это ещё не всё. А что если скорость дрейфа больше начальной скорости? Тогда вращение будет происходить в другую сторону:

К задаче $10.2.8$
К задаче

И модуль скорости вращения будет равен:
вр
Вновь подставим формулы для движения по окружности и получим нижнюю границу скорости:

Но не стоит забывать что нижняя граница имеет смысл только если начальная скорость больше нуля

Альтернативное решение (Динамический метод)

Рассмотрим движение электрона (заряд , масса ) в декартовой системе координат. Пусть ось направлена вдоль начальной скорости электрона (вправо), ось — вертикально вверх, а магнитное поле направлено вдоль оси (на нас).

Напряженность электрического поля в конденсаторе . Чтобы электрон мог пролететь, электрическая сила должна компенсировать магнитную, следовательно, вектор направлен вверх.

Запишем уравнения движения электрона (проекции второго закона Ньютона).
По оси действует только проекция магнитной силы Лоренца, возникающая при вертикальном смещении:

Умножим на и проинтегрируем с учетом начальных условий (при , ):

По оси действуют электрическая сила и проекция магнитной силы от горизонтальной скорости:

Подставим выражение для :

Полученное уравнение описывает гармонические колебания. Найдем координату равновесия , при которой ускорение по оси равно нулю:

Поскольку электрон влетает в конденсатор в точке с нулевой вертикальной скоростью, эта точка является крайней точкой колебаний. Максимальное отклонение от начальной оси составит:

Для того чтобы электрон прошел через конденсатор и не столкнулся с пластинами, максимальное отклонение по модулю не должно превышать половины расстояния между пластинами:

Подставив и разделив на , получим искомое условие на начальную скорость :

Раскрывая модуль, получаем полный диапазон допустимых скоростей:

*(При условии, что левая граница больше нуля, иначе электрон не полетит вперед изначально).*

Ответ