O que é a Construção Básica de um Ciclotron?
Antes de entender o princípio básico de funcionamento do ciclotron, é necessário compreender a força em uma partícula carregada em movimento em um campo magnético e também o movimento da partícula carregada no campo magnético.
Força em uma Partícula Carregada em Movimento em um Campo Magnético
Quando um condutor portador de corrente condutor de comprimento L metros com corrente I amperes colocado perpendicularmente em um campo magnético de densidade de fluxo B Weber por metro quadrado, então a força, ou melhor, a força magnética atuando no condutor seria
Agora, consideremos que existem N número total de elétrons livres móveis no condutor distribuídos ao longo de L metros causando a corrente I amperes.
Onde, e é a carga elétrica de um elétron e é 1,6 × 10-19 coulombs.
Agora, das equações (1) e (2) obtemos
Aqui, N número de elétrons causando a corrente I amperes, e considera-se que eles percorrem o comprimento L metros em tempo t, portanto, a velocidade de deriva dos elétrons seria
Das equações (3) e (4), obtemos
É a força atuando em N número de elétrons no campo magnético, portanto, a força em um único elétron nesse campo magnético pode ser
Movimento de Partícula Carregada em um Campo Magnético
Quando uma partícula carregada se move em um campo magnético, haveria duas condições extremas. A partícula se move na direção do campo magnético ou se move perpendicular ao campo magnético.
Quando a partícula se move ao longo do eixo da direção do campo magnético, a força magnética atuando sobre ela,
Portanto, não haverá nenhuma força atuando na partícula, não haverá alteração na velocidade da partícula e, assim, ela se moverá em linha reta com velocidade constante.
Agora, se a partícula carregada se move perpendicular ao campo magnético, não haverá alteração na velocidade da partícula. Isso ocorre porque a força atuando na partícula é perpendicular ao movimento da partícula, portanto, a força não realizará trabalho na partícula, então não haverá alteração na velocidade da partícula.
Mas esta força atuando na partícula perpendicular ao seu movimento e a direção do movimento da partícula mudará continuamente. Como resultado, a partícula se moverá em um caminho circular de raio constante com velocidade constante no campo.
Se o raio do movimento circular for R metros, então
Agora,
Portanto, o raio do movimento depende da velocidade do movimento.
A velocidade angular e o período são constantes.
Princípios Básicos do Ciclotron
Este conceito de movimento de partícula carregada em um campo magnético foi empregado com sucesso em um aparelho chamado ciclotron. Conceitualmente, este dispositivo é muito simples, mas tem usos enormes nos campos de engenharia, física e medicina. Este é um dispositivo acelerador de partículas carregadas. O movimento da partícula carregada sob campo magnético perpendicular é aplicado exclusivamente no aparelho denominado ciclotron.
Construção do Ciclotron
Este dispositivo basicamente possui três partes construtivas principais
Eletroímã de grande porte para criar um campo magnético uniforme entre seus dois polos magnéticos opostos colocados face a face.
Duas meias cilindros vazios de baixa altura feitos de metais de alta condutividade. Esses componentes do ciclotron são chamados de Dees.
Uma fonte alternada de alta frequência e alta tensão.
Detalhes Construtivos
Os Dees são colocados face a face entre os polos eletromagnéticos. Os Dees são posicionados de tal forma que as bordas retas fiquem face a face com pequeno espaço entre eles. Além disso, o fluxo magnético do eletroímã corta esses Dees exatamente perpendicularmente. Agora, esses dois Dees estão conectados a dois terminais de uma fonte de tensão alternada, de modo que, se um Dee estiver em potencial positivo, o outro estará em potencial negativo exatamente oposto no mesmo instante. Como a fonte é alternada, o potencial dos Dees é alterado de acordo com a frequência da fonte. Agora, se uma partícula carregada for lançada de um ponto próximo ao centro de um Dee com certa velocidade V1. Como o movimento da partícula agora é perpendicular ao campo magnético externamente aplicado, não haverá alteração na velocidade, mas a partícula carregada seguirá um caminho circular de raio
Onde, m gramas é a massa e q coulombs é a carga da partícula lançada e B Weber/metro2 é a densidade de fluxo do campo magnético externamente aplicado perpendicularmente.
Após viajar π radianos ou 180o com raio R1, a partícula carregada chega à borda do Dee. Agora, o período e a frequência da fonte de tensão aplicada são ajustados de acordo com o período do movimento circular, que é
De modo que a polaridade do outro Dee se torna oposta à carga da partícula. Portanto, devido à atração do Dee à frente e também à repulsão do Dee no qual a partícula está situada, a partícula ganha energia cinética extra.
Onde ν1 é a velocidade da partícula no Dee anterior e ν2 é a velocidade da partícula no próximo Dee. Agora, a partícula se moverá com esta maior velocidade com raio R2 metros.
