Logo
Logo

Электростатическая линза

A1  0.30 Рассчитайте электростатический потенциал $\Phi(z)$ на оси кольца в точке A на расстоянии $z$ от его центра (см. рис. 1).

Посчитаем потенциал от элементарного участка кольца с линейной плотностью заряда $\lambda=\cfrac{q}{2\pi R}$ длиной $Rd\alpha$:
$$
d\Phi=\cfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\cdot\cfrac{\lambda Rd\alpha}{\sqrt{R^2+z^2}}{.}
$$
Воспользуемся тем, что расстояние от точки $\mathrm{A}$ до любой точки кольца одинаковое{.}$
Тогда окончательно получаем:

Ответ: $$\Phi(z)=\frac{q}{4 \pi \varepsilon_{0}} \frac{1}{\sqrt{R^{2}+z^{2}}}{.}$$

A2  0.40 Предполагая $z\ll R$, найдите потенциал $\Phi(z)$ в виде разложения в ряд до первого, зависящего от $z$, члена.

Преобразуем полученное в предыдущем пункте выражение к виду:
$$
\Phi(z)=\frac{q}{4 \pi R\varepsilon_{0}} \frac{1}{\sqrt{1+(z/R)^{2}}}{.}
$$
И пользуясь тем, что $z/R\ll1{,}$ получим окончательный ответ:

Ответ: $$\Phi(z) \approx \frac{q}{4 \pi \varepsilon_{0} R}\left(1-\frac{z^{2}}{2 R^{2}}\right)$$

A3  0.20 Электрон (его масса $m$, заряд $-e$) расположили в точке A (см. рис. 1, $z\ll R$). Рассчитайте силу, действующую на электрон. Какой знак должен иметь заряд кольца $q$, чтобы возникли колебания? Смещение электрона не меняет распределение заряда по кольцу.

Запишем выражение для потенциальной энергии электрона: $V=-e\Phi{.}$ Из потенциальной энергии получим требуемую силу:
$$F(z)=-\cfrac{dV(z)}{dz}=e\cfrac{d\Phi}{dz}=-\cfrac{qe}{4\pi\varepsilon_0R^3}z{.}$$

Ответ: $$F=-\cfrac{qe}{4\pi\varepsilon_0R^3}z$$

A4  0.10 Определите циклическую частоту $\omega$ этих гармонических колебаний.

Запишем уравнение движение:
$$
m\ddot{z}+\cfrac{qe}{4\pi\varepsilon_0R^3}z=0{.}
$$
Получили уравнение колебаний, откуда находим частоту.

$$\omega=\sqrt{\cfrac{qe}{4\pi\varepsilon_0R^3}}$$

B1  1.50 Выразите $\beta$. Вы могли бы использовать разложение Тейлора, приведенное выше.

$\textbf{Метод1:}$

Разобьем кольцо на элементарные участки с линейной зарядом $dq=\cfrac{qd\varphi}{2\pi }$ длиной $Rd\varphi$. Пусть $OB=r{,} OC=R{,}$ тогда $BC=\sqrt{R^2+r^2-2Rr\cos{\varphi}}{.}$ Найдем вклад в потенциал точки $B$ от этого элементарного участка.
$$
d\Phi=\cfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\cdot\cfrac{\lambda Rd\varphi}{\sqrt{R^2+r^2-2Rr\cos{\varphi}}}=\frac{1}{4 \pi \varepsilon_{0}} \frac{\lambda \mathrm{d} \phi}{\sqrt{1+\frac{r^{2}}{R^{2}}-2 \frac{r}{R} \cos \phi}}{.}
$$

Разложим $d\Phi$ в ряд Тейлора, используя $r/R\ll1{:}$
$$
d\Phi\approx\frac{\lambda \mathrm{d} \phi}{4 \pi \varepsilon_{0}} \left[1-\cfrac{1}{2}\left(\cfrac{r^2}{R^2}-2\cfrac{r}{R}\cos{\varphi}\right)+\cfrac{3}{8}\left(\cfrac{r^2}{R^2}-2\cfrac{r}{R}\cos{\varphi}\right)^2\right]=
$$

$$
= \frac{\lambda \mathrm{d} \phi}{4 \pi \varepsilon_{0}}\left[1+\frac{r}{R} \cos \phi+\frac{r^{2}}{R^{2}}\left(\frac{3}{2} \cos ^{2} \phi-\frac{1}{2}\right)\right]{.}
$$

Проинтегрируем выражение для потенциала:
$$\Phi(r)=\int_0^{2\pi}\frac{\lambda \mathrm{d} \phi}{4 \pi \varepsilon_{0}}\left[1+\frac{r}{R} \cos \phi+\frac{r^{2}}{R^{2}}\left(\frac{3}{2} \cos ^{2} \phi-\frac{1}{2}\right)\right]=\cfrac{q}{4\pi\varepsilon_0R}\left(1+\cfrac{r^2}{4R^2}\right){.}$$
Отсюда получаем $\beta:$

Ответ: $$\beta=\frac{1}{16 \pi \varepsilon_{0} R^{3}}{.}$$

$\textbf{Метод 2:}$

Запишем выражение для потенциала в точке, смещенной на $r$ в плоскости кольца и на $z$ по вертикали:
$$
\Phi(z, r)=\frac{q}{4 \pi \varepsilon_{0} R}\left(1-\frac{z^{2}}{2 R^{2}}\right)+q \beta r^{2}
$$
Отсюда найдем выражения для радиальной напряженности и напряженности вдоль $z{.}$
$$
E_r(z,r)=-2q\beta r{;}
$$
$$
E_z(z,r)=\cfrac{q}{4\pi\varepsilon_0R^3}z{.}
$$
Запишем теорему Гаусса для цилиндра радиуса $r$ c образующей $2z{.}$
$\int_{\text{дно}}\vec{E}\cdot d\vec{S}+\int_{\text{бок}}\vec{E}\cdot d\vec{S}=0$
Отсюда получаем:
$$
\cfrac{qzr^2}{2\varepsilon_0R^3}-8\pi q\beta r^2z=0{.}
$$
И окончательно:

Ответ: $$\beta=\frac{1}{16 \pi \varepsilon_{0} R^{3}}{.}$$

B2  0.20 Электрон расположили в точке B (см. рис. 1, $r\ll R$). Рассчитайте силу, действующую на электрон. Какой знак должен иметь заряд кольца $q$, чтобы возникли гармонические колебания? Смещение электрона не меняет распределение заряда по кольцу.

Найдем силу с помощью производной потенциальной энергии: $F=-\cfrac{dV}{dr}=\cfrac{d\Phi}{dr}e{.}$

$$F=\cfrac{qe}{8\pi\varepsilon_0R^3}r{.}$$

C1  1.30 Предположим, что пакет электронов изначально летит параллельно оси $z$ на расстоянии $r$ ($r\ll R$) от нее.

Определите фокусное расстояние $f$ линзы ($f\gg d$). Выразите ответ с использованием константы $\beta$ из пункта B.1 и других известных величин. Знак заряда $q$ таков, что линза работает как собирающая.

Рассмотрим электрон, обладающий скоростью $v=\sqrt{\cfrac{2E}{m}}$ и находящийся на расстоянии $r$ от "оптической оси". Электрон преодолеет активную область за время
$$
t=\cfrac{d}{v}{.}
$$
Запишем уравнение движение электрона и определим радиальную скорость по прошествии времени $t$:
$$m\ddot{r}=2eq\beta r{,}$$
$$
v_r=\ddot{r}\cdot t=\cfrac{2eq\beta r}{m}\cdot\cfrac{d}{v}<0{.}
$$
Линза будет фокусировать электроны, если $q<0{.}$ В таком случае найдем время достижения оптической оси:
$$
t^{\prime}=\frac{r}{\left|v_{r}\right|}=-\frac{m v}{2 e q \beta d}{.}
$$
За время $t^{\prime}$ электрон по оси $z$ пройдет $f{:}$
$$
f=t^{\prime}v=-\frac{m v^2}{2 e q \beta d}=-\frac{E}{e q d \beta}{.}
$$

Ответ: $$f=-\frac{E}{e q d \beta}$$

C2  0.80 Найдите $c$. Выразите ответ с использованием константы $\beta$ из пункта B.1 и других известных величин.

Рассмотрим электрон, выпущенный под углом $\gamma$ к оптической оси. Его начальная скорость в проекции на радиальную ось и ось $z$ равна соответственно
$$
\begin{cases}
v_{r ; 0}=v \sin \gamma \approx v \gamma \approx v \frac{r}{b}{,}\\
v_{z; 0}=v \cos \gamma \approx v{.}
\end{cases}
$$

После прохождения активной области его радиальная компонента поменяет свое значение и будет равна:
$$
v_r=v\cfrac{r}{b}+\cfrac{2eq\beta r}{m}\cfrac{d}{v}{,}
$$
где первый член положительный, а второй отрицательный (так как $q<0$).

Если электрон достигает оптической оси после прохождения активной зоны, то $v_r<0{.}$ Тогда время, необходимое для достижения оптической оси:
$$t^{\prime}=\cfrac{r}{|v_r|}=-\frac{1}{\frac{2 e q \beta}{m} \frac{d}{v}+\frac{v}{b}}{.}$$
За это время электрон пройдет в проекции на ось $z{:}$
$$
c=t^{\prime}v=-\frac{1}{\frac{e q \beta d}{E}+\frac{1}{b}}$$

$$
c=-\frac{1}{\frac{e q \beta d}{E}+\frac{1}{b}}
$$

C3  0.20 Выполняется ли формула тонкой линзы $\frac{1}{b}+\frac{1}{c}=\frac{1}{f}$ для линзы Глюка? Покажите это непосредственным расчетом величины $1/b + 1/c$.

Из $\mathrm{C2}$ получаем
$$
\cfrac{1}{b}+\cfrac{1}{c}=-\cfrac{eq\beta d}{E}{.}
$$
Сопоставляя это выражение с $\mathrm{C1}$, получаем, что формула тонкой линзы выполнена.

D1  2.00 Вычислите емкость $C$ кольца. Считайте, что ширина кольца $2a$, причем $a\ll R$.

Разобьем кольцо на две части. И будем считать потенциал как сумму потенциалов от этих частей. Первая часть это маленький участок с угловым размером $2\alpha$, причем $\alpha R\gg a$, а второй это оставшееся кольцо.
Так как мы выбрали $\alpha\ll1$, то можно пренебречь закруглением кольца. Посчитаем потенциал от этого участка:
$$
\Phi_{1}=2 \frac{1}{4 \pi \varepsilon_{0}} \frac{q}{2 \pi R} \int_{0}^{\alpha R} \frac{\mathrm{d} x}{\sqrt{x^{2}+a^{2}}}=\\
=\cfrac{q}{4\pi^2\varepsilon_0R}\int_{0}^{\alpha R/a} \frac{\mathrm{d} y}{\sqrt{y^{2}+1}}=\cfrac{q}{4\pi^2\varepsilon_0R}\ln{\left(\cfrac{\alpha R}{a}+\sqrt{\cfrac{(\alpha R)^2}{a^2}+1}\right)}\approx \frac{q}{4 \pi^{2} \varepsilon_{0} R} \ln \left(\frac{2 \alpha R}{a}\right){.}
$$

Теперь найдем потенциал от второго участка кольца. Здесь мы можем не учитывать толщину $a$. Используя теорему косинусов, получаем, что $KL=2R\sin{\cfrac{\varphi}{2}}{.}$ Тогда потенциал $\Phi_2$ определяется выражением:
$$
\Phi_{2}=2 \frac{q}{2 \pi} \frac{1}{4 \pi \varepsilon_{0}} \int_{\alpha}^{\pi} \frac{\mathrm{d} \varphi}{2 R \sin \frac{\varphi}{2}}=\cfrac{q}{4\pi^2\varepsilon_0R}\int_{\alpha/2}^{\pi/2}\cfrac{dcos{y}}{cos^2{y}-1}
$$
$$
\Phi_2=\cfrac{q}{4\pi^2\varepsilon_0R}\ln{\cfrac{1+\cos{\alpha/2}}{\sin{\alpha/2}}}\approx \frac{q}{4 \pi^{2} \varepsilon_{0} R} \ln \left(\frac{4}{\alpha}\right){.}
$$

Находим окончательный ответ для $\Phi:$
$$
\Phi=\Phi_1+\Phi_2=\cfrac{q}{4\pi^2\varepsilon_0R}\ln{\cfrac{8R}{a}}{.}
$$

Ответ: $$
\Phi=\cfrac{q}{4\pi^2\varepsilon_0R}\ln{\cfrac{8R}{a}}{.}
$$

D2  1.00 Найдите, как зависит заряд кольца $q(t)$ от времени. Постройте схематический график этой зависимости. В момент времени $t=0$ электроны находятся в плоскости кольца.

В некоторый момент времени заряд кольца $q(t)$ достигает значения $q_0$, модуль которого максимален. Найдите это значение $q_0$. Емкость кольца $C$ (вам не нужно использовать значение из D.1).
Примечание: полярность подключения на рисунке 3 показана только в качестве примера. Подключение источника напряжения должно быть выбрано таким образом, чтобы линза работала как собирающая.

При заряде кольца $q(t)$ падение напряжения на кольце $-q/C,$ на резисторе $-R_0dq/dt.$ Тогда в промежутке времени $-d / 2 v < t < d / 2 v:$
$$
\frac{q(t)}{C}+R_{0} \frac{\mathrm{d} q}{\mathrm{~d} t}=V_{0}{.}
$$
Интегрируя это уравнение и подставляя граничные условия, получаем:
$$
q(t)=C V_{0}\left(1-\mathrm{e}^{-\frac{d}{2 v R_{0} C}} \mathrm{e}^{-\frac{t}{R_{0} C}}\right){.}
$$
Заряд достигает максимального значения в момент времени $t=d/2v{.}$ И значение $q_0:$
$$
q_{0}=C V_{0}\left(1-\mathrm{e}^{-\frac{d}{v R_{0} C}}\right){.}
$$
После $t=d/2v$ уравнение на $q$ принимает вид:
$$
\frac{q(t)}{C}+R_{0} \frac{\mathrm{d} q}{\mathrm{~d} t}=0{.}
$$
Снова интегрируя и подставляя граничные условия, получаем зависимость $q(t)$ для $t>d/2v$:
$$q(t)=C V_{0}\left(\mathrm{e}^{\frac{d}{2 v R_{0} C}}-\mathrm{e}^{-\frac{d}{2 v R_{0} C}}\right) \mathrm{e}^{-\frac{t}{R C}}{.}$$

Итак,
\begin{equation*}
q(t) =
\begin{cases}
0 &\text{при $t<-\cfrac{d}{2v}$}\\
C V_{0}\left(1-\mathrm{e}^{-\frac{d}{2 v R_{0} C}} \mathrm{e}^{-\frac{t}{R_{0} C}}\right) &\text{при $-\cfrac{d}{2v} < t < \cfrac{d}{2v}$}\\
C V_{0}\left(\mathrm{e}^{\frac{d}{2 v R_{0} C}}-\mathrm{e}^{-\frac{d}{2 v R_{0} C}}\right) \mathrm{e}^{-\frac{t}{R C}} &\text{при $t>\cfrac{d}{2v}$}
\end{cases}
\end{equation*}

E1  1.70 Найдите фокусное расстояние $f$ линзы. Считайте, что $f/v\gg R_0C$, но $d/v$ и $R_0C$ одного порядка. Выразите ответ с использованием константы $\beta$ из части B и других известных величин.

Аналогично $\mathrm{C1}$, запишем уравнение движение:
$$
m \ddot{r}=2 e q(t) \beta r{,}
$$
но здесь $q$ зависит от времени.
Введем замену $\eta=2e\beta/m$ и уравнение движение примет вид:
$$
\ddot{r}=\eta q(t) r{.}
$$
Так как $f/v\gg R_0C$, то за время зарядки-разрядки положение электрона в радиальном направлении существенно не меняется. Тогда $v_r$ можно получить интегрированием $\ddot{r}$:
$$
v_{r}=\eta r \int_{-d /(2 v)}^{\infty} q(t) \mathrm{d} t{.}
$$
Разобьем интеграл на два участка интегрирования: от $-d/2v$ до $d/2v$ и от $d/2v$ до $\infty$:
$$
v_{r}=\eta r \int_{-d /(2 v)}^{d/2v} q(t) \mathrm{d} t+\eta r \int_{d /(2 v)}^{\infty} q(t) \mathrm{d} t{,}
$$
Используя замены $d/v=t_0, RC_0=\tau, CV_0=Q_0$, получаем:
$$
v_{r}=Q_{0}\left(t_{0}-\tau\left[1-\mathrm{e}^{-t_{0} / \tau}\right]\right)+Q_{0} \tau\left[1-\mathrm{e}^{-t_{0} / \tau}\right]{.}
$$
Окончательное выражение для $v_r{:}$
$$
v_{r}=\frac{2 e \beta C V_{0} d r}{m v}{.}
$$
И, аналогично части $\mathrm{C}$ фокусное расстояние $f{:}$

Ответ: $$
f=-\frac{E}{e C V_{0} d \beta}{.}
$$

E2  0.30 Можно заметить, что ответ для $f$ в предыдущем пункте похож на ответ, полученный в части C. Нужно только заменить значение заряда $q$ некоторым «эффективным» зарядом $q_\mathrm{eff}$. Выразите $q_\mathrm{eff}$ через заданные в задаче величины.

Сопоставляя $f=-E/(eCV_0d\beta)$ с $f=-E/(eqd\beta)$ из части $\mathrm{C}$, получаем:

$$q_{eff}=CV_0{.}$$