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荷電粒子の運動md d1fe406
lecture/physics/electromagnetism/motion-of-charged-particles.lecture.n.md
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荷電粒子かでんりゅうし運動うんどう

date2026-07-14document_iddoc_d78a9b3dfca73d4bcfdade60c357fe9bdescription荷電粒子の運動をローレンツ力から整理し、電場での加速、磁場中の円運動、らせん運動を証明する講義である。prerequisites電場と電位 / 磁場と電磁誘導 / 円運動と単振動 / 仕事と力学的エネルギーtype講義statusactiverelateddata/lecture/physics/electromagnetism/electric-fields-and-potential.lecture.n.md / data/lecture/physics/electromagnetism/magnetic-fields-and-electromagnetic-induction.lecture.n.md / data/lecture/physics/mechanics/circular-motion-and-simple-harmonic-motion.lecture.n.md
physicselectromagnetismcharged-particlelorentz-forcelecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、電場でんば磁場じば荷電粒子かでんりゅうしおよぼす効果こうかける方法ほうほう説明せつめいする。

電場でんばちからF=qE で、速度そくどおなきにも反対向はんたいむきにもなれる。そのためはやさをえる。一方いっぽう磁場じばちからF=qv×B速度そくど垂直すいちょくである。そのためはやさのおおきさではなくきをえる。

2用語ようご定義ていぎ

ローレンツりょくLorentz forceとは、電場でんば E磁場じば Bなか電荷でんか q速度そくど v粒子りゅうしけるちからであり、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]F=qE+qv×B

である。

3方針ほうしん

荷電粒子かでんりゅうし運動うんどうでは、ちからきをさきる。

  1. 電場でんばだけなら、ma=qE等加速度運動とうかそくどううんどうる。
  2. 電位差でんいさあたえられたら、エネルギー保存ほぞんqV運動うんどうエネルギーにえる。
  3. 磁場じばだけで vB なら、向心力こうしんりょくとして円運動えんうんどうる。
  4. v磁場じば平行へいこう成分せいぶんがあれば、円運動えんうんどう等速直線運動とうそくちょくせんうんどう合成ごうせいとしてる。

4関係式かんけいしき 1:一様電場いちようでんばでの加速度かそくど

一様電場いちようでんば Eなかで、質量しつりょう m電荷でんか q粒子りゅうし

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]a=qmE

加速度かそくどける。

4.1証明しょうめい

電場でんばによるちから

F=qE

である。ニュートンの運動方程式うんどうほうていしきより

ma=F

なので、

ma=qE

である。m>0ると

a=qmE

る。

5関係式かんけいしき 2:電位差でんいさ加速かそくされた粒子りゅうしはや

静止せいししていた電荷でんか q質量しつりょう m粒子りゅうし電位差でんいさ V加速かそくされ、電場でんばがした仕事しごとがすべて運動うんどうエネルギーになるなら、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]12mv2=qV

である。qV>0 のとき、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]v=2qVm

である。

5.1証明しょうめい

電位差でんいさ Vとおって電荷でんか q移動いどうすると、電場でんばあたえるエネルギーは qV である。はじ静止せいししているので、運動うんどうエネルギーの増加ぞうか

12mv2-0

である。エネルギー保存ほぞんより

12mv2=qV

である。qV>0 なら両辺りょうへんいて

v=2qVm

る。

6関係式かんけいしき 3:一様磁場いちようじば垂直すいちょくはいると円運動えんうんどうする

一様磁場いちようじば B速度そくど v垂直すいちょく荷電粒子かでんりゅうしは、はやさのおおきさをたもって円運動えんうんどうする。その半径はんけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]r=mv|q|B

であり、周期しゅうき

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]T=2πm|q|B

である。

6.1証明しょうめい

vB なので、磁場じばからけるちからおおきさは

F=|q|vB

である。このちから速度そくど垂直すいちょくで、向心力こうしんりょくとしてはたらく。円運動えんうんどう向心力こうしんりょく

mv2r

なので、

|q|vB=mv2r

である。v>0 として整理せいりすると

r=mv|q|B

る。

周期しゅうき

T=2πrv

である。ここに r=mv/(|q|B)代入だいにゅうして

T=2πvmv|q|B=2πm|q|B

る。

7整理せいり 4:平行成分へいこうせいぶんがあるとらせん運動うんどうになる

v磁場じば垂直すいちょく成分せいぶん v平行へいこう成分せいぶん vけると、垂直成分すいちょくせいぶん円運動えんうんどうし、平行成分へいこうせいぶん等速直線運動とうそくちょくせんうんどうする。

7.1証明しょうめい

磁場じばによるちから

FB=qv×B

である。vB平行へいこうなので、

v×B=0

である。一方いっぽうvB垂直すいちょくなので、ちからけて円運動えんうんどう向心力こうしんりょくになる。したがって平行方向へいこうほうこうにはちからがなく等速直線運動とうそくちょくせんうんどう垂直方向すいちょくほうこうには円運動えんうんどうこる。この合成ごうせいがらせん運動うんどうである。

8見分みわかた

  • 電位差でんいさ加速かそくなら qV=12mv2
  • 磁場中じばちゅう半径はんけいなら r=mv/(|q|B)
  • 周期しゅうきなら T=2πm/(|q|B)
  • 磁場じば平行へいこう速度成分そくどせいぶんげられない。

9どこまで成立せいりつするか

ここでは相対論的そうたいろんてきでないはやさを仮定かていした。粒子りゅうしはやさが光速こうそくちか場合ばあいは、運動量うんどうりょうとエネルギーの関係かんけい相対論そうたいろんあつか必要ひつようがある。

10最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]F=qE+qv×B
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]qV=12mv2
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]r=mv|q|B

11一言ひとこと

電場でんば荷電粒子かでんりゅうしはやさをえ、磁場じば速度そくどきをげる。

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