荷電粒子の運動
physicselectromagnetismcharged-particlelorentz-forcelecture
1導入
この講義では、電場と磁場が荷電粒子へ及ぼす効果を分ける方法を説明する。
電場の力は \vec F=q\vec E で、速度と同じ向きにも反対向きにもなれる。そのため速さを変える。一方、磁場の力は \vec F=q\vec v\times\vec B で速度に垂直である。そのため速さの大きさではなく向きを変える。
2用語と定義
ローレンツ力とは、電場 \vec E と磁場 \vec B の中で電荷 q、速度 \vec v の粒子が受ける力であり、
\boxed{\vec F=q\vec E+q\vec v\times\vec B}
である。
3方針
荷電粒子の運動では、力の向きを先に見る。
- 電場だけなら、m\vec a=q\vec E で等加速度運動を見る。
- 電位差が与えられたら、エネルギー保存で qV を運動エネルギーに変える。
- 磁場だけで \vec v\perp\vec B なら、向心力として円運動を見る。
- \vec v に磁場と平行な成分があれば、円運動と等速直線運動の合成として見る。
4関係式 1:一様電場での加速度
一様電場 \vec E の中で、質量 m、電荷 q の粒子は
\boxed{\vec a=\frac{q}{m}\vec E}
の加速度を受ける。
4.1証明
電場による力は
\vec F=q\vec E
である。ニュートンの運動方程式より
m\vec a=\vec F
なので、
m\vec a=q\vec E
である。m>0 で割ると
\vec a=\frac{q}{m}\vec E
を得る。
5関係式 2:電位差で加速された粒子の速さ
静止していた電荷 q、質量 m の粒子が電位差 V で加速され、電場がした仕事がすべて運動エネルギーになるなら、
\boxed{\frac12mv^2=qV}
である。qV>0 のとき、
\boxed{v=\sqrt{\frac{2qV}{m}}}
である。
5.1証明
電位差 V を通って電荷 q が移動すると、電場が与えるエネルギーは qV である。初め静止しているので、運動エネルギーの増加は
\frac12mv^2-0
である。エネルギー保存より
\frac12mv^2=qV
である。qV>0 なら両辺を解いて
v=\sqrt{\frac{2qV}{m}}
を得る。
6関係式 3:一様磁場に垂直に入ると円運動する
一様磁場 \vec B に速度 \vec v が垂直な荷電粒子は、速さの大きさを保って円運動する。その半径は
\boxed{r=\frac{mv}{|q|B}}
であり、周期は
\boxed{T=\frac{2\pi m}{|q|B}}
である。
6.1証明
\vec v\perp\vec B なので、磁場から受ける力の大きさは
F=|q|vB
である。この力は速度に垂直で、向心力として働く。円運動の向心力は
\frac{mv^2}{r}
なので、
|q|vB=\frac{mv^2}{r}
である。v>0 として整理すると
r=\frac{mv}{|q|B}
を得る。
周期は
T=\frac{2\pi r}{v}
である。ここに r=mv/(|q|B) を代入して
T=\frac{2\pi}{v}\frac{mv}{|q|B}
=\frac{2\pi m}{|q|B}
を得る。
7整理 4:平行成分があるとらせん運動になる
\vec v を磁場に垂直な成分 \vec v_\perp と平行な成分 \vec v_\parallel に分けると、垂直成分は円運動し、平行成分は等速直線運動する。
7.1証明
磁場による力は
\vec F_B=q\vec v\times\vec B
である。\vec v_\parallel は \vec B と平行なので、
\vec v_\parallel\times\vec B=\vec 0
である。一方、\vec v_\perp は \vec B と垂直なので、力を受けて円運動の向心力になる。したがって平行方向には力がなく等速直線運動、垂直方向には円運動が起こる。この合成がらせん運動である。
8見分け方
- 電位差で加速なら qV=\frac12mv^2。
- 磁場中の半径なら r=mv/(|q|B)。
- 周期なら T=2\pi m/(|q|B)。
- 磁場に平行な速度成分は曲げられない。
9どこまで成立するか
ここでは相対論的でない速さを仮定した。粒子の速さが光速に近い場合は、運動量とエネルギーの関係を相対論で扱う必要がある。
10最終形
\boxed{\vec F=q\vec E+q\vec v\times\vec B}
\boxed{qV=\frac12mv^2}
\boxed{r=\frac{mv}{|q|B}}
11一言
電場は荷電粒子の速さを変え、磁場は速度の向きを曲げる。