Cosa è la costruzione di base del ciclotrone?
Prima di comprendere il principio di funzionamento di base del Ciclotrone è necessario comprendere la forza su una particella carica in movimento in un campo magnetico e anche il moto della particella carica nel campo magnetico.
Forza su una Particella Carica in Movimento in un Campo Magnetico
Quando un conduttore con corrente conduttore di lunghezza L metri con corrente I ampere posto perpendicolarmente in un campo magnetico di densità di flusso B Weber al metro quadrato, allora la forza, piuttosto detta forza magnetica agente sul conduttore sarebbe
Ora, consideriamo che ci siano N numero totale di elettroni liberi mobili nel conduttore che si estendono per una lunghezza L metri causando la corrente I ampere.
Dove, e è la carica elettrica di un elettrone ed è 1.6 × 10-19 coulomb.
Ora, dalle equazioni (1) e (2) otteniamo
Qui, N numero di elettroni causano la corrente I ampere, e consideriamo che viaggiano per una lunghezza L metri in tempo t, quindi la velocità di deriva degli elettroni sarebbe
Dalle equazioni (3) e (4), otteniamo
È la forza agente su N numero di elettroni nel campo magnetico, quindi la forza su un singolo elettrone in quel campo magnetico può essere
Moto di una Particella Carica in un Campo Magnetico
Quando una particella carica si muove in un campo magnetico, ci sono due condizioni estreme. La particella si muove o nella direzione del campo magnetico o perpendicolarmente al campo magnetico.
Quando la particella si muove lungo l'asse della direzione del campo magnetico, la forza magnetica agente su di essa,
Pertanto non ci sarà alcuna forza agente sulla particella, pertanto non ci sarà alcun cambiamento nella velocità della particella e quindi si muoverà in linea retta con velocità costante.
Ora, se la particella carica si muove perpendicolarmente al campo magnetico, non ci sarà alcun cambiamento nella velocità della particella. Questo perché la forza agente sulla particella è perpendicolare al moto della particella, quindi la forza non farà alcun lavoro sulla particella, quindi non ci sarà alcun cambiamento nella velocità della particella.
Tuttavia, questa forza agente sulla particella perpendicolarmente al suo moto e la direzione del moto della particella cambieranno continuamente. Di conseguenza, la particella si muoverà in un campo in un percorso circolare di raggio costante con velocità costante.
Se il raggio del moto circolare è R metri, allora
Ora,
Pertanto il raggio del moto dipende dalla velocità del moto.
La velocità angolare e il periodo sono costanti.
Principi di Base del Ciclotrone
Questo concetto di moto di una particella carica in un campo magnetico è stato utilizzato con successo in un apparecchio chiamato ciclotrone. Concettualmente, questo dispositivo è molto semplice, ma ha usi enormi nel campo dell'ingegneria, della fisica e della medicina. Si tratta di un dispositivo di accelerazione di particelle cariche. Il moto della particella carica sotto un campo magnetico perpendicolare è applicato esclusivamente nell'apparecchio denominato ciclotrone.
Costruzione del Ciclotrone
Questo dispositivo ha fondamentalmente tre parti costruttive principali
Un grande elettromagnete per creare un campo magnetico uniforme tra i suoi due poli opposti posizionati faccia a faccia.
Due mezzi cilindri cavi di bassa altezza fatti di metalli ad alta conducibilità. Questi componenti del ciclotrone sono chiamati Dees.
Una sorgente di tensione alternata ad alta frequenza e alta tensione.
Dettagli Costruttivi
I Dees sono posizionati faccia a faccia tra i poli elettromagnetici. I Dees sono così posizionati che l'orlo dritto sarà faccia a faccia con un piccolo spazio tra loro. Inoltre, il flusso magnetico dell'elettromagnete taglia questi Dees esattamente perpendicolarmente. Ora, questi due Dees sono collegati a due terminali di una sorgente di tensione alternata in modo che se uno dei Dees è in potenziale positivo, l'altro sarà in potenziale negativo esattamente opposto nello stesso momento. Poiché la sorgente è alternata, il potenziale dei Dees viene alterato in base alla frequenza della sorgente. Ora, se una particella carica viene lanciata da un punto vicino al centro di uno dei Dees con una certa velocità V1. Poiché il movimento della particella è ora perpendicolare al campo magnetico esterno applicato, non ci sarà alcun cambiamento di velocità, ma la particella carica seguirà un percorso circolare di raggio
Dove, m grammi è la massa e q coulomb è la carica della particella lanciata e B Weber/metro2 è la densità di flusso del campo magnetico esterno applicato perpendicolarmente.
Dopo aver percorso π radianti o 180° con raggio R1, la particella carica arriva all'orlo del Dee. Ora, il periodo e la frequenza della sorgente di tensione applicata sono regolati in modo che coincidano con il periodo del moto circolare, cioè
In modo che la polarità dell'altro Dee diventi opposta a quella della carica della particella. Pertanto, a causa dell'attrazione del Dee davanti alla particella in movimento e anche a causa della repulsione del Dee in cui la particella si trova, la particella ottiene energia cinetica extra.
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