Cím: Vezető henger mozgása homogén mágneses térben
Szerző(k):  Berke Martin 
Füzet: 2020/május, 297 - 305. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Szakmai cikkek, Mozgó elektromos töltésre ható erő (Lorentz-erő)

A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre.

 
Vezető henger mozgása homogén mágneses térben
 

Fizika feladatok megoldása során nagy szerephez jutnak bizonyos ,,trükkök'', ,,mesterfogások''. Ezen írás célja, hogy egy érdekes és tanulságos példán keresztül két hasznos eljárást is bemutasson, amelyek segítségével ‐ bizonyos esetekben ‐ fémek elektromos térben való ,,viselkedése'' leírható.
 
A probléma

Feladatunk, hogy leírjuk, milyen töltéselrendeződés alakul ki egy hosszú, vékony falú fémhenger felületén, ha a fémhengert homogén mágneses térbe helyezzük, majd az indukcióvonalakra merőleges irányban kis sebességgel (a fénysebességnél sokkal lassabban) mozgatjuk. Legyen a henger sugara R, sebességének nagysága v0, a mágneses indukció nagysága pedig B.
A vezető hengerben szabad töltéshordozók vannak, melyek elmozdulhatnak, így a semleges testben megváltozhat a töltéseloszlás. Ha a feladatot az ,,álló'' K vonatkoztatási rendszerben próbáljuk megoldani, akkor az reménytelenül bonyolulttá válik. Próbálkozzunk meg olyan K' rendszerben dolgozni, ami a hengerrel együtt v0 sebességgel mozog a mágneses térre és a henger tengelyére merőleges irányban (1. ábra). (Vegyük észre, hogy a K' rendszer is inerciarendszer, hiszen a sebessége K-hoz képest időben állandó.) A K' rendszerben a henger áll, tehát a benne lévő szabad töltéshordozókra (az elektronokra) biztosan nem hat a mágneses térből származó Lorentz-erő. A mozgó rendszerbe való áttéréssel látszólag kiküszöböltük a henger mozgásából fakadó nehézséget, azonban ‐ mint látni fogjuk ‐ ennek az áttérésnek ,,ára'' van.
 

 
1. ábra.
Homogén mágneses térben mozgó fémhenger
 

Az egyszerűség kedvéért a henger helyett vizsgáljunk csak egyetlen ponttöltést, amely homogén mágneses és elektromos mezőben mozog! Legyen a pontszerű test sebességvektora v, a töltése Q, a mágneses indukció vektora B, az elektromos térerősségvektor pedig E. A ponttöltésre ható erő az álló rendszerben:
F=Q(v×B)+QE.
Üljünk most egy v0 sebességgel mozgó vonatkoztatási rendszerbe, és írjuk fel a részecskére ható erőt ebben a (vesszősen jelölt) rendszerben is:
F'=Q(v-v0)×B'+QE'.

Hasonlítsuk össze a két rendszerben felírt erőt! Mivel mindkét vonatkoztatási rendszer inerciarendszer, nyilván teljesül, hogy F=F' (hiszen a töltött részecske gyorsulása ugyanakkora mindkét inerciarendszerben), vagyis fennáll:
v×(B-B')+E+(v0×B')-E'0.
A részecske (tetszőleges irányú) v sebességével arányos tag eltűnéséből
B'=B,
a sebességétől független tagokból pedig
E'=E+(v0×B)
adódik.1
A számunkra fontos esetben, amikor az álló rendszerben nincs elektromos tér, vagyis E0, a mozgó rendszerben tapasztalható homogén elektromos mező térerősségvektora:
E'=v0×B.

Visszatérve az eredeti problémához a feladatunk nem más, mint meghatározni, milyen töltéselrendeződés alakul ki egy homogén fémhenger felületén, ha a tengelyére merőleges, homogén elektromos térbe helyezzük, melynek nagysága
E0=v0B.(1)
A következőkben két különböző módszerrel is megoldjuk ezt a feladatot. Az egyik matematikailag könnyebb, ám egy szokatlan gondolatot (,,mesterfogást'') igényel. A másik eljárás a tükörtöltés módszerét alkalmazza; ez talán hamarabb eszünkbe juthat, azonban a számolás hosszadalmasabb.
 
A szuperpozíció módszere

Az első megoldás során egy olyan trükkel élünk, amely ugyan elég speciális, azonban hasznos lehet hasonló jellegű elektrosztatikai feladatok megoldásánál. A fémek belsejében egyensúlyi állapotban nem lehet elektromos tér, így olyan töltéselrendezést keresünk, amelyet az eredeti, külső térre szuperponálva a henger belsejében zérus elektromos teret eredményez.
Vizsgáljuk meg, hogy milyen az elektromos tere egy egyenletes térfogati töltéssűrűséggel rendelkező, hosszú hengernek a henger belsejében. Ehhez a Gauss-féle fluxustörvényt fogjuk felírni a henger egy h hosszúságú darabjára. Az elrendezés forgásszimmetrikus, a térerősség erővonalai sugárirányúak, a térerősségvektor nagyságát meghatározó összefüggés pedig
ϱhr2πε0=2rπhE(r).
A fenti összefüggésben ϱ a henger térfogati töltéssűrűségét, r pedig a henger tengelyétől mért távolságot jelöli. Mivel most csak az r<R esetet vizsgáljuk, ennek megfelelően írtuk fel a Gauss-törvényt. Rendezve az egyenletet az elektromos térerősség nagyságára ezt kapjuk:
E(r)=rϱ2ε0.

Vizsgáljunk most két hengert, az egyik (a P középpontú) henger pozitív, a másik (a Q középpontú) pedig negatív térfogati töltéssűrűséggel rendelkezik (2. ábra). Tekintsünk egy tetszőleges A pontot a mindkét henger által lefedett részen! A PQ, PA és QA vektorok segítségével, illetve az elektromos térerősségvektor nagyságára kapott összefüggés felhasználásával az A pontban az elektromos térerősség a következő alakban írható fel:

 

2. ábra. Ellentétesen töltött hengerek
 
EA=ϱ2ε0PA-ϱ2ε0QA=ϱ2ε0PQ.(2)
Látjuk, hogy a két henger átfedő részén az elektromos térerősség vektora nem függ az A pont helyzetétől, tehát valóban homogén elektromos mező alakul ki. Mi a helyzet azon részekkel, ahol nincs a hengerek között átfedés? A PQ, valamint PG szakaszok által bezárt szöget jelöljük φ-vel. Ha a PQ távolság x, akkor a GF szakasz hossza
d=xcosφ.(3)
(Kihasználtuk, hogy a GH szakasz hossza éppen x, és a két henger tengelye kellően közel van egymáshoz, emiatt az FH körív egy rövid, egyenes szakasszal közelíthető.)
Tekintsünk egy keskeny, ΔA területű sávot a henger felületén! A töltés ebben a részben a következő alakban írható fel:
ηΔA=dϱΔA,(4)
ahol ϱ az egységnyi térfogatban lévő töltés nagysága, η pedig az egységnyi felület töltése (felületi töltéssűrűség). Mivel a külső tér nagysága (1) szerint v0B, így EA=v0B, hiszen ekkor lesz zérus elektromos tér a fémen belül. A (2)‐(3)‐(4) egyenletek alapján a felületi töltéssűrűség már könnyen kiszámítható:
η=2ε0v0Bcosφ.(5)
A két, ellentétesen töltött henger segítségével létrehozott elektromos tér a külső elektromos térrel együtt éppen olyan eredő teret ad, amely a fémhengeren belül eltűnik. A kapott eredmény szerint a felületi töltéssűrűség függ a henger felületén megválasztott pont helyétől. A második megoldás során azt is látni fogjuk, hogy a szögfüggés milyen fizikai tartalommal bír.
 
Tükörtöltések 2 dimenzióban

A második megoldás során a tükörtöltés módszerét fogjuk alkalmazni. Ez a módszer kiválóan alkalmazható ,,magasfokú'' szimmetriával rendelkező töltéselrendeződések estén, bizonyos esetekben azonban a számítások hosszadalmassá válhatnak. Az alábbiakban ismertetésre kerülő módszer alkalmas lehet még elektromosan feltöltött szálak és fémhengerek közötti erőhatás, illetve párhuzamos fémhengerek kapacitásának meghatározására is.
A tükörtöltés módszer alkalmazása speciális geometriai viszonyokat kíván. Jól ismert, hogy egy fémsík (fémsíkok) vagy egy fémgömb közelében elhelyezkedő pontszerű töltés és a fém együttes elektromos tere olyan lesz, mintha a valódi töltésen kívül egy alkalmas helyen elhelyezkedő és alkalmas nagyságú másik töltés (tükörtöltés) is jelen lenne. (Ez az erőtér csak a fémfelület egyik oldalán, a valódi töltést tartalmazó térrészben érvényes, a másik oldalon az elektromos térerősség nulla.)
Esetünkben nem ilyen egyszerű a helyzet. A hosszú henger eltolási szimmetriájából kiindulva megsejthetjük, hogy hosszú, egyenletesen feltöltött szigetelő szálak elektromos terét érdemes vizsgálnunk. Tekintsünk két hosszú, párhuzamos, elektromosan töltött szálat, melyeken a vonalmenti töltéssűrűség (vagyis ez egységnyi hosszon található töltés) ±λ. Legyen a két szál egymástól 2d távolságban (dR), a fémhenger szimmetriatengelye pedig a szálakkal párhuzamosan, azok között ,,félúton'', a szálaktól d távolságban helyezkedjék el.
Az elektromos tér nagyságát egy-egy szál esetén a Gauss-törvény alkalmazásával kaphatjuk meg, majd a szuperpozíció elvét alkalmazva kiszámíthatjuk az eredő teret. Egyetlen szál esetén az elektromos térerősségvektor nagysága a száltól r távolságban
Eszál(r)=λ2πε01r,
iránya pedig a szálra merőleges (tehát sugárirányú) lesz. Mivel a λ és -λ töltéssűrűségű szálak a hengertől messze találhatók, így a henger ,,helyén'' jó közelítéssel homogén elektromos tér alakul ki, amelynek nagysága:
E0=λπε01d.(6)

A tükörtöltések (pontosabban fogalmazva: a tükörszálak) helyét úgy kell megválasztani, hogy a fémhenger felülete ekvipotenciális legyen. (Ilyenkor az elektromos térerősségvektor a felület bármely pontjában merőleges a felület érintősíkjára, ún. normális irányú.) Helyezzünk el ‐ gondolatban ‐ a henger szimmetriatengelyétől x távolságban, a két távoli töltött szál által meghatározott síkban egy μ, az ,,átellenes'' helyen pedig -μ vonalmenti töltéssűrűséggel ellátott szálat (3. ábra).
 

 

3. ábra.
Töltéselrendezés a tükörtöltéses módszer alkalmazásánál
 

 

Megjegyzés. A tükörtöltések nagyságát azért választottuk λ-tól (elvben) függetlennek, mert egy fémgömb esetében a tükörtöltés módszere akkor működik, ha különböző helyekre különböző nagyságú töltéseket helyezünk el. Később látni fogjuk, hogy a fémhenger csak a μ=λ választás lesz eredményes.

 

A szálak közül válasszuk ki például a λ és -μ vonalmenti töltéssűrűségű párt, majd vizsgáljuk meg ezek eredő potenciálfüggvényét. Ennek a függvénynek az állandóságát szeretnénk elérni a fémhenger felülete mentén. (A másik két szálat azért hagyjuk figyelmen kívül, mert az elrendezés szimmetrikus. Ha az említett két szál tere ekvipotenciális a hengerfelületen, akkor a másik két szál tere is az lesz, tehát a négy szál eredő potenciálja is állandó nagyságú a felületen.)
A potenciálfüggvény felírásához először tekintsünk egyetlen egy szálat, amelynek vonalmenti töltéssűrűsége λ*, és vizsgáljuk meg, hogy mekkora munkavégzéssel tudunk egy q nagyságú próbatöltést az önkényesen kiválasztott r0 távolságú pontból sugárirányban mozgatva a száltól r távolságra lévő pontba juttatni. A mozgatáshoz szükséges erő a száltól r' távolságban
F(r')=-qE(r')=-qλ*2πε01r'.
Ez az erő változó nagyságú, ezért a teljes munkavégzést, ami qU(r)-rel egyenlő, a kicsiny elmozdulásokon végzett munkák összegzésével (integrálásával) számíthatjuk ki:
qU(r)=ΔW=F(r')Δr'=-qλ*2πε0r'=r0rΔr'r'-qλ*2πε0r0rdr'r'==-qλ*2πε0(lnr-lnr0).
Megállapíthatjuk tehát, hogy egyetlen töltött szál elektromos potenciálfüggvénye:
U(r)=-λ*2πε0lnr+állandó.
(Az állandó értéke a potenciál nullpontjának, vagyis r0-nak megválasztásától függ. Ezt a nullpontot ‐ a ponttöltés háromdimenziós esetétől eltérően ‐ nem tehetjük a ,,végtelen'' távoli pontba, de nyilván nem választhatjuk a szál helyét sem kiindulási pontnak.)
Visszatérve az eredeti elrendezéshez azt kapjuk, hogy a λ*=+λ vonalmenti töltéssűrűséggel ellátott száltól r1, a λ*=-μ vonalmenti töltéssűrűséggel ellátott száltól pedig r2 távolságra lévő pontban a potenciál értéke:
U=λ2πε0ln(r1)-μ2πε0ln(r2)+állandó.
Mivel a henger felülete ekvipotenciális, teljesülnie kell az
(r1)λ(r2)μ=állandó(7)
feltételnek. Már az ókor óta ismert az a geometriai tétel, miszerint a sík azon pontjai, amelyek két adott ponttól mért távolságainak aránya állandó, egy körön (az ún. Apollóniosz-körön) helyezkednek el. Eszerint a (7) egyenlet csak akkor határoz meg a síkban egy kört (a térben pedig hengerfelületet), ha λ=μ, mert ilyen esetben r1/r2=állandó.
Hátravan még az x távolság meghatározása. Tekintsük ismét a korábban kiválasztott két szál potenciálját! Az A és a B pontokban a potenciál egyenlőségét felhasználva írhatjuk, hogy
UA=λ2πε0ln(d-RR-x)=UB=λ2πε0ln(d+RR+x).
A logaritmusfüggvény monotonitását kihasználva, továbbá az argumentumokat összevetve adódik, hogy
d-RR-x=d+RR+x,
vagyis teljesül, hogy
x=R2d.(8)
Mivel d (R-hez viszonyítva) nagyon nagy, (6) szerint λ-nak is nagyon nagynak, (8) miatt pedig x-nek nagyon kicsinek kell lennie. Az egymáshoz nagyon közel (2x távolságra) lévő, nagy, de ellentétes töltésű szálat az egymáshoz közeli, ellentétes előjelű ponttöltések mintájára (kétdimenziós) dipólusnak nevezhetjük. A szálak vonalmenti töltéssűrűségének és a távolságuknak szorzata
p=2xλ=2πε0R2E0=2πε0R2v0B.
Ez a mennyiség, amit (kétdimenziós) dipólmomentumnak (dipólnyomatéknak,
dipólerősségnek) neveznek, még a d határesetben is véges nagyságú marad.
Azt az érdekes eredményt kaptuk, hogy a homogén elektromos mezőbe helyezett, az elektromos térerősségvektorra merőleges tengelyű fémhengernek az elektromos megosztás hatására kialakuló tere a hengeren kívül olyan, mintha a fémhenger tengelye mentén egy megfelelő erősségű dipólus is jelen lenne. Az eredő elektromos tér a dipólus erőterének és a külső (homogén) erőtérnek vektori összege. Ha ezt az eredő teret meghatározzuk, abból már könnyen leolvashatjuk a fémhenger felületére kerülő töltések mennyiségét és eloszlását.
Tekintsünk egy p erősségű dipólt, amit egy negatív és egy pozitív töltésű szál alkot. A dipólerősséget olyan p vektorral adhatjuk meg, amely a negatív töltésű száltól a pozitív felé mutat, nagysága pedig p. Határozzuk meg az elektromos térerősségvektor nagyságát és irányát a dipólustól r távolságban, a p vektorra merőleges, illetve azzal párhuzamos irányban (4. ábra)! Ezeket az irányokat Gauss-féle főhelyzeteknek nevezik.

 

4. ábra. Dipólusszál tere a Gauss-féle főhelyzetekben
 

Számítsuk ki a két szál eredő térerősségét az A és B pontokban! (Kihasználjuk, hogy 2xr.) Mivel egyetlen szál térerőssége
E(r)=±λ2rπε0,
az eredő tér nagysága a Gauss-féle főhelyzetekben:
EB=λ2rπε0-λ2(r+2x)πε0p2πε01r2,
illetve
EA2λ2rπε0xr=p2πε01r2.
Látjuk, hogy a térerősségek nagysága a főhelyzetekben ugyanakkora, de az irányuk ellentétes (lásd a 4. ábrát).
Ha nem a Gauss-féle főhelyzetekre vagyunk kiváncsiak, hanem tetszőleges pontban keressük az elektromos térerősséget, akkor az 5. ábrának megfelelően érdemes felbontani a dipólusmomentum-vektort a dipólus tengelyével φ szöget bezáró iránnyal párhuzamos
p=pcosφ
nagyságú, és erre az irányra merőleges
p=pcosφ
nagyságú vektorkomponensek összegére.
Ha a ,,komponensdipólusokra'' felírjuk a Gauss-féle főhelyzeteknek megfelelő egyenleteket, akkor már könnyen kiszámíthatjuk az elektromos térerősség nagyságát a kérdéses pontban, az irányát pedig a vektorösszeadás alapján kaphatjuk meg. A dipólustól a vizsgált pontba mutató vektorral párhuzamos (ún. normális irányú) térerősséghez csak p, az erre merőleges (ún. tangenciális) komponenshez pedig csak p ad járulékot.
 

5. ábra. Dipólusszál elektromos tere tetszőleges pontban
 

Az eredeti problémához visszatérve tehát a henger egy adott pontjában meg kell határozni a dipólus által keltett elektromos térerősség nagyságát és irányát, majd ehhez hozzávenni a külső elektromos teret. A henger esetén az R helyvektorú pontban, mely a dipólus tengelyével φ szöget zár be, a dipólus tere által létrehozott tangenciális és normális irányú térerősség-komponensek:
Etdipól=v0Bsinφ,Endipól=v0Bcosφ.
Ehhez vegyük hozzá a külső elektromos tér tangenciális és normális komponensét, melyek
Etkülső=-v0Bsinφ,Enkülső=v0Bcosφ.
A külső tér tangenciális komponense ellentétes irányú a dipólus terének tangenciális komponensével. Eszerint az eredő térerősségnek valóban csak normális komponense van, melynek nagysága:
Eneredő=2v0Bcosφ.
A fém belsejében az elektromos térerősség nulla, tehát az eredő tér normál komponensének ,,ugrása'' is 2v0Bcosφ.
A felületi töltéssűrűség a térerősség normál komponensének ugrása és ε0 szorzata. (Ezt úgy láthatjuk be, hogy ‐ gondolatban ‐ körülvesszük a felület egy kicsiny részét egy lapos, zárt ,,dobozzal'', majd alkalmazzuk erre a dobozra a Gauss-törvényt.)
Ezek szerint a felületi töltéssűrűség a B indukciójú mágneses térben v sebességgel mozgó fémcsőnél (vagy tömör fémhengernél)
η(φ)=2ε0v0Bcosφ,
összhangban az első módszerrel kapott (5) eredménnyel.
 
Megjegyzés. A mozgó fém felületén kialakuló elektromos töltéssűrűség nagysága nem függ attól, hogy egy vékony falú csövet, vagy pedig egy tömör fémrudat mozgatunk a mágneses térben. Hibás tehát az a naiv sejtés, miszerint a tömör rúdban sokkal több szabadon mozgó töltés lévén, azokból a megosztás során sokkal többet lehet a felületre ,,húzni'', mint a vékony falú cső esetében. A felületre kiülő töltések mennyiségét nem a rendelkezésre álló elektronok száma, hanem a kiegyensúlyozandó külső tér nagysága határozza meg.

 

A bemutatott probléma szép példája annak, amikor egy fizika feladatnak több, lényegileg különböző megoldása van, és mindegyikből sokat tanulhatunk. A bemutatott ötletek nem újdonságok, hanem kevésbé ismert ,,trükkök'', ezen írás egyik célja, hogy összefoglalja azokat.
Fontos megjegyezni, hogy habár a henger mozog, a hozzá rögzített rendszer inerciarendszer, így az elektrosztatika törvényeit a megszokott alakban írhatjuk fel. Nem ez a helyzet, ha a henger gyorsul. Érdekes, a cikkben tárgyaltakhoz hasonló gondolatokat igénylő példákat találunk a KöMaL korábban kitűzött feladatai között (lásd pl. a 3191., 3322., 3600., 4032., 4604., 4926. feladatot), illetve a 333+ Furfangos Feladat Fizikából című feladatgyűjteményben. A cikkben leírtakhoz kapcsolódó, ajánlott irodalom még: Feynman ‐ Leighton ‐ Sands: Mai fizika, V‐VI.
 
Berke Martin  (Budapest)
a BME II. éves fizika BSc szakos hallgatója



1Ezek a transzformációs képletek csak vc esetén érvényes, közelítőleg helyes összefüggések. A fénysebességgel összemérhető sebességű mozgásoknál (ami egy makroszkopikus testnél megvalósíthatatlan) a B térerősség is megváltozik.