Пучок протонов влетает в область однородного магнитного поля с индукцией 0,1 Тл. Направление поля перпендикулярно скорости пучка. В этом поле протоны движутся по дуге окружности радиусом 0,2 м и попадают на заземленную мишень. Рассчитайте тепловую мощность, выделяющуюся в мишени во время попадания протонов. Сила тока в пучке 0,1 мА. Удельный заряд протона 10^8 Кл/кг.
от

1 Ответ

Дано:  
- Индукция магнитного поля B = 0,1 Тл  
- Радиус дуги окружности r = 0,2 м  
- Сила тока I = 0,1 мА = 0,1 * 10^-3 А  
- Удельный заряд протона q/m = 10^8 Кл/кг  

Найти:  
- Тепловая мощность P, выделяющаяся в мишени.

Решение:

1. Сначала найдем массу протона. Удельный заряд определяется как q/m, где q - заряд, m - масса. Заряд протона равен q = 1,6 * 10^-19 Кл. Массу протона можно найти следующим образом:

m = q / (q/m) = 1,6 * 10^-19 / (10^8) = 1,6 * 10^-27 кг.

2. Теперь найдем скорость протонов. В магнитном поле сила Лоренца равна:

F = q * v * B,

где v - скорость протонов. Эта сила также равна центростремительной силе:

F = (m * v^2) / r.

Приравняем эти две силы:

q * v * B = (m * v^2) / r.

3. Упростим уравнение, выразив скорость v:

v = (q * B * r) / m.

Подставим известные значения:

v = (1,6 * 10^-19 * 0,1 * 0,2) / (1,6 * 10^-27).

v = (3,2 * 10^-21) / (1,6 * 10^-27) = 2 * 10^6 м/с.

4. Теперь найдем количество протонов, проходящих через мишень в секунду. Для этого используем формулу:

N = I / q.

Подставим значения:

N = (0,1 * 10^-3) / (1,6 * 10^-19) = 6,25 * 10^15 протонов/с.

5. Тепловая мощность P, выделяющаяся в мишени, равна произведению энергии, передаваемой каждым протоном, на количество протонов, проходящих через мишень в секунду:

P = N * E,

где E - энергия, передаваемая каждым протоном. Энергия каждого протона в магнитном поле определяется как:

E = q * U,

где U - разность потенциалов. Однако в данном случае, мы можем использовать формулу для энергии, связанной с движением, E = (1/2) * m * v^2.

Но поскольку в данной задаче не указана разность потенциалов, мы можем считать, что вся энергия идет на тепловую мощность.

6. Для нахождения тепловой мощности, мы можем использовать другой подход:

P = N * (q * V) = I * V,

где V - разность потенциалов, однако без дополнительной информации о потенциале мы не можем провести точные расчеты, но будем считать, что вся энергия идет на тепловую мощность, и используем:

P = N * q * v.

Подставляем известные значения:

P = (6,25 * 10^15) * (1,6 * 10^-19) * (2 * 10^6).

P = (6,25 * 1,6 * 2) * 10^{-19 + 6 + 15} = (20) * 10^{2} = 2 * 10^3 Вт = 2000 Вт.

Ответ:  
Тепловая мощность, выделяющаяся в мишени, равна 2000 Вт.
от