Edits to “Решение”, “Решение в Latex”, “Ответ”

Valter edited
revision #20375 parent #12209 ← older
@@ -10,4 +10,47 @@Решение:
![|1920x1080, 80%](../../img/10.2.2/01.png)
−#### Ответ: $. v_{др} \approx \alpha m_ev^2/(eB_0)$
+### Решение в Latex
+
+Поскольку в задаче требуется <i>оценить</i> скорость (на что указывает и знак $\approx$ в ответе задачника), числовыми коэффициентами порядка единицы можно пренебречь. Мы приведем два метода: упрощенную кинематическую оценку (соответствующую ответу задачника) и строгий аналитический вывод.
+
+<b>Метод 1. Кинематическая оценка</b>\
+Приближенно представим траекторию электрона как две склеенные полуокружности. В верхней части траектории поле слабее ($B_1$), радиус больше ($R_1$). В нижней — поле сильнее ($B_2$), радиус меньше ($R_2$).
+
+Радиус траектории $R = \frac{m_e v}{eB}$. Смещение электрона вдоль оси $y$ за один полный оборот равно разности диаметров:
+$$\Delta y = 2R_2 - 2R_1 = \frac{2m_e v}{e} \left( \frac{1}{B_2} - \frac{1}{B_1} \right) = \frac{2m_e v}{e} \frac{B_1 - B_2}{B_1 B_2}$$
+
+Расстояние между центрами полуокружностей примерно равно $2R \approx \frac{2m_e v}{eB_0}$. На этом расстоянии магнитное поле изменяется на величину:
+$$dB = \alpha B_0 \cdot \Delta x = \alpha B_0 \frac{2m_e v}{eB_0} = \frac{2\alpha m_e v}{e}$$
+
+Тогда разность полей $B_1 - B_2 = -dB$, а знаменатель $B_1 B_2 \approx B_0^2$. Модуль смещения:
+$$|\Delta y| \approx \frac{2m_e v}{e B_0^2} dB = \frac{2m_e v}{e B_0^2} \frac{2\alpha m_e v}{e} = \frac{4\alpha m_e^2 v^2}{e^2 B_0^2}$$
+
+Время одного оборота $T \approx \frac{2\pi m_e}{e B_0}$. Оценочная скорость дрейфа:
+$$v_d = \frac{|\Delta y|}{T} = \frac{4\alpha m_e^2 v^2 / (e^2 B_0^2)}{2\pi m_e / (e B_0)} = \frac{2}{\pi} \frac{\alpha m_e v^2}{e B_0}$$
+
+Отбрасывая множитель $\frac{2}{\pi} \approx 0,63$ (так как нас интересует лишь порядок величины), получаем авторскую оценку:
+$$v_d \approx \frac{\alpha m_e v^2}{e B_0}$$
+
+---
+
+<b>Метод 2. Строгий расчет (через магнитный момент)</b>\
+Для точного вычисления воспользуемся методом эквивалентного магнитного диполя.
+Электрон, вращающийся по круговой орбите, эквивалентен замкнутому контуру с током. Так как $v \ll eB_0/(\alpha m_e)$, изменение поля на масштабе витка мало. Радиус $R = \frac{m_e v}{e B_0}$, период $T = \frac{2\pi m_e}{e B_0}$.
+Эффективный ток такого контура:
+$$I = \frac{e}{T} = \frac{e v}{2\pi R}$$
+
+Магнитный момент этого микротока $\mu = I S$, где площадь $S = \pi R^2$:
+$$\mu = \frac{e v}{2\pi R} \cdot \pi R^2 = \frac{e v R}{2} = \frac{m_e v^2}{2 B_0}$$
+
+Энергия магнитного диполя во внешнем магнитном поле равна $U = \mu B_z$.
+На диполь в неоднородном поле действует эффективная сила, стремящаяся вытолкнуть его в область слабого поля:
+$$F_x = -\frac{\partial U}{\partial x} = -\mu \frac{\partial B_z}{\partial x} = -\frac{m_e v^2}{2 B_0} \cdot B_0 \alpha = -\frac{m_e v^2 \alpha}{2}$$
+
+Скорость дрейфа под действием поперечной силы $\vec{F}$ вычисляется как $\vec{v}_d = \frac{\vec{F} \times \vec{B}}{q B^2}$. Подставляя модуль силы, получаем точное значение скорости градиентного дрейфа:
+$$v_d = \frac{F_x}{eB_0} = \frac{1}{2} \frac{m_e v^2 \alpha}{e B_0}$$
+
+Как видно, строгий расчет дает дополнительный коэффициент $1/2$, который теряется при грубой кинематической оценке. Вектор скорости направлен влево (вдоль оси $-y$).
+
+#### Ответ
+$$v_d \approx \frac{\alpha m_e v^2}{e B_0}$$