تطبيقات على القوى المغناطيسية المؤثرة على الشحنات

إن خواص الجسيمات التي تتكون منها الذرات والجزيئات ، يمكن دراستها عند ملاحظة سلوكها في وجود مجالات E ومجالات B. وتحمل هذه الكيانات الدقيقة للغاية من المادة شحنات تتراوح قيمتها بين شحنة إلكترونية واحدة e أو قدر ذلك عدة مرات. وسنتعرض بإيجاز ثلاث من هذه التطبيقات.

جهاز انتقاء السرعات

يوضح الشكل (1) زوجاً من الألواح المشحونة المتوازية ، المغمورة في مجال مغناطيسي يتجه إلى داخل الصفحة. وكما مر علينا عدة مرات من قبل فإن اللوحين المتوازيين يخلقان مجالاً كهربياً منتظماً فيما بينهما ويتجه من اللوح الموجب إلى اللوح السالب.

الشكل(1)

ويسمى هذا الجهاز باسم جهاز انتقاء ذي مجالين متعامدين وذلك بسبب اتجاه كل من المجال المغناطيسي والمجال الكهربي. ويحفظ الجهاز في غرفة تفريغ بحيث تكون مقاومة الهواء مهملة.

افترض الآن أن جسيماً مشحوناً (+q) يدخل إلى المنطقة التي يتعامد فيها المجالان بسرعة v موزاية للوحين ، كما هو مبين في الشكل 19-15. ولابد انك تستطيع إثبات أن القوة الكهربية والقوة المغناطيسية متعاكستان في الاتجاه كما يوضح الرسم. ولهذا فإن الجسيم سوف ينحرف بشكل عام إما إلى أعلى أو إلى أسفل اعتماداً على أي من القوتين أكبر من الأخرى.

وستمر الشحنة خلال منطقة التعامد بدون انحراف ، فقط إذا تساوت القوتان المتعاكستان. ويتطلب هذا الشرط أن:

والجسيمات التي تتحرك بهذه السرعة تماماً سوف تمر من خلال فتحة صغيرة تقع على خط واحد مع المحور المركزي للجهاز ، اما الجسيمات التي تتحرك بأية سرعات أخرى غبر هذه السرعة فإنها ستمنع من المرور. وهكذا فإن هذا الجهاز يتيح لنا ــ إذا ضبطنا قيم E و B ــ أن ننتقى جسيمات تتمتع كلها بنفس مقدار السرعة من بين حزمة الجسيمات التي لها سرعات مختلفة. ولابد أنك قادر على إقناع نفسك بأن النتيجة نفسها تطبق على الشحنات السالبة. كما أنك لابد أن تستغرق بعض الوقت لتثبت أن وحدات SI الخاصة بالنسبة E/B هي بالفعل متر لكل ثانية ( m/s).

مطياف الكتلة

ان الكتل الماكروسكوبية ( الكبيرة ) وعرفناها منسوبة إلى الكيلو جرام العياري الدولي. على أن أكثر قياسات الكتلة دقة هي الخاصة بذرات العناصر المختلفة. وهناك جهاز يعرف باسم مطياف الكتلة وتستخدم فيه القوة المغناطيسية المؤثرة على ذرات مشحونة ( او أيونات) لقياس الكتل إلى دقة تصل إلى سبعة أو ثمانية أرقام عشرية معنوية. ويبين الشكل (2) رسماً تخطيطاً لهذا الجهاز حيث يرى مصدر للأيونات محفوظ داخل غرفة مفرغة ، كما ترى منطقة بها مجال مغناطيسي منتظم وجهد كهربي بين مصدر الأيونات ومنطقة المجال المغناطيسي. ويبدأ العمل بأن تتأين ذرات غاز بواسطة قذفها بالإلكترونات ثم تخرج الأيونات من فتحة مصدر الأيوناتS₁ . ثم تعجل الأيونات نحو مدخل الفتحةS₂  بواسطة جهد معلوم V. أي أن الأيونات تدخل المجال المغناطيسي ولها طاقة حركة وهي:

(1)              

وقد تكون الشحنة q مساوية +e أو +2e ، إلخ اعتماداً على درجة تأين الذرات وكثيراً ما يحدث أن تستخدم ذرات منفردة التأين (أي أيونات وحيدة الشحنة).

وبمجرد أن تدخل الأيونات إلى منطقة المجال المغناطيسي ، فإنها تتحرك بسرعة ذات مقدار ثابت ثم تدور بواسطة القوة المغناطيسية في دائرة نصف قطرها:r = mv/qB وبحركتها في نصف دائرة ، فإن الأيونات تصطدم بكشاف كلوح فوتوغرافي مثلاً يقع على مسافة 2r من الفتحةS₂ . وبحل المعادلة ((1 لإيجاد v ، نستطيع الصول على معادلة تحديد كتلة الأيون. وسنبدأ أولاً بالحصول على v² = 2qV/m. ثم

وهذا يؤدي بدوره إلى العلاقة :

(2)