Que é a construción básica do ciclotrón?
Antes de entender o principio básico de funcionamento do ciclotrón, é necesario comprender a forza sobre unha partícula cargada en movemento nun campo magnético e tamén o movemento da partícula cargada no campo magnético.
Forza sobre unha partícula cargada en movemento nun campo magnético
Cando un condutor portador de corrente condutor de lonxitude L metros con corrente I amperios situado perpendicularmente nun campo magnético de densidade de fluxo B Weber por metro cadrado, entón a forza, antes de dicir forza magnética que actúa sobre o condutor sería
Agora, supoñamos que hai un total de N número de eléctrons móbeis libres no condutor situados na lonxitude L metros causando a corrente I amperios.
Onde, e é a carga eléctrica dun electrón e é 1.6 × 10-19 coulomb.
Agora, dende as ecuacións (1) e (2) obtemos
Aquí, N número de eléctrons causando a corrente I amperios, e consideremos que viaxan a lonxitude L metros no tempo t, polo tanto a velocidade de deriva dos eléctrons sería
Dende as ecuacións (3) e (4), obtemos
É a forza que actúa sobre N número de eléctrons no campo magnético, polo tanto a forza sobre un único electrón nese campo magnético pode ser
Movemento dunha partícula cargada nun campo magnético
Cando unha partícula cargada se move nun campo magnético, haxa dúas condicións extremas. A partícula se move ou ben na dirección do campo magnético ou perpendicular ao campo magnético.
Cando a partícula se move ao longo do eixo da dirección do campo magnético, a forza magnética que actúa sobre ela,
Polo tanto, non haxa forza que actúe sobre a partícula, polo que non haxa cambio na velocidade da partícula e, polo tanto, se move en liña recta con velocidade constante.
Agora, se a partícula cargada se move perpendicular ao campo magnético, non haxa cambio na velocidade da partícula. Isto é porque a forza que actúa sobre a partícula é perpendicular ao movemento da partícula, polo que a forza non fai ningún traballo sobre a partícula, polo que non haxa cambio na velocidade da partícula.
Pero esta forza que actúa sobre a partícula perpendicular ao seu movemento e a dirección do movemento da partícula cambiará continuamente. Como resultado, a partícula se moverá nun campo nun percorrido circular de raio constante con velocidade constante.
Se o raio do movemento circular é R metros, entón
Agora,
Polo tanto, o raio do movemento depende da velocidade do movemento.
A velocidade angular e o período son constantes.
Principio básico do ciclotrón
Este concepto do movemento dunha partícula cargada nun campo magnético foi empregado con éxito nun dispositivo chamado ciclotrón. Conceptualmente, este dispositivo é moi simple, pero ten enormes usos nos campos da enxeñaría, física e medicina. Este é un dispositivo de aceleración de partículas cargadas. O movemento da partícula cargada baixo un campo magnético perpendicular é aplicado exclusivamente no aparelho chamado ciclotrón.
Construción do ciclotrón
Este dispositivo ten tres partes construtivas principais
Un electroímán de gran tamaño para crear un campo magnético uniforme entre os seus dous polos magnéticos opostos colocados cara a cara.
Dous semicilindros huecos de baixa altura feitos de metais de alta conductividade. Estas compoñentes do ciclotrón chámase Dees.
Unha fonte de voltaxe alternativa de alta frecuencia e alta tensión.
Detalles construtivos
Os Dees están colocados cara a cara entre os polos electromagnéticos. Os Dees están colocados de tal xeito que a borda recta estará cara a cara con un pequeno intervalo entre eles. Ademais, o fluxo magnético do electroímán corta exactamente perpendicularmente estes Dees. Agora, estes dous Dees están conectados a dous terminais dunha fonte de voltaxe alternativa de xeito que, se un Dee está en potencial positivo, o outro estará en potencial negativo oposto ao mesmo tempo. Como a fonte é alternativa, o potencial dos Dees cambia segundo a frecuencia da fonte. Agora, se se lanza unha partícula cargada desde un punto próximo ao centro dun Dee con certa velocidade V1. Como o movemento da partícula agora é perpendicular ao campo magnético externo aplicado, non haxa cambio na velocidade, pero a partícula cargada seguirá un percorrido circular de raio
Onde, m gram é a masa e q coulomb é a carga da partícula lanzada e B Weber/metro2 é a densidade de fluxo do campo magnético externo aplicado perpendicularmente.
Despois de viaxar π radianos ou 180o con raio R1, a partícula cargada chega á orla do Dee. Agora, o período e a frecuencia da fonte de voltaxe aplicada están axustados co período do movemento circular, que é
De xeito que a polaridade do outro Dee se torna oposta á da carga da partícula. Polo tanto, debido á atracción do Dee adiante e tamén á repulsión do Dee no que a partícula está agora situada, a partícula obtén enerxía cinética extra.
Onde ν1 é a velocidade da partícula no Dee anterior e ν2 é a velocidade da partícula no seguinte Dee. Agora, a partícula se moverá con esta maior velocidade con raio R2 metros.
