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大丈夫。おさる君でも理解できるように解説していくよ
磁界とは? 磁束密度とは?
一つずつ考えていきましょう。
設問には ”磁束密度がB(T)で方向が紙面の表から裏の方向の一様な磁界中に、磁界の方向に対して直角に速さv(m/s)で等速運動している電子” とあります。
磁束密度? 磁界? なにがなにやらですよね。
まず磁界から説明していきます。
磁界とは、磁気がはたらく空間です。例えば棒磁石を砂鉄の上に置いたとします。
すると、以下のようにどばーっとなります。これこそが磁界です。
そして磁束とは、磁界の強さのことなのです。磁束密度は字面どおり磁束の密度ですね。
つまり設問で言っていることは、
”強さがBの磁界があってさ、その中を電子が速さvで走っているんだよね”です。
ローレンツ力? (1)を解説
ここで大事なことをお伝えします。実は電子ですが、磁界の中で運動すると力を受けます。
この電子が受ける力をローレンツ力というのです。
(1)では、電子が磁界から受けるローレンツ力の大きさを聞かれています。
ローレンツ力は以下の式で求められます。
F=qvB
(F:ローレンツ力,q:電子の電荷,v:電子の速さ,B:磁束密度)
こういうものなんだという理解で十分です。
”ローレン、バーベキューしてビクトリー”と覚えよう!
よって、
式よりAの答えはqvBとなります。
空欄以外は無視! (2)を解説
(1)では電子が磁界から受ける力(ローレンツ力)を求めました。
続いて(2)ですが、ここで言うことはありません。
なぜなら空欄がないからです。
空欄がないのに考える必要などありません。
ローレンツ力と遠心力が釣り合っている。それだけわかればOKです。
(2)がヒントになっていた!? (3)‐1を解説
(3)では、はじめに円運動の半径が聞かれています。
なんら難しい問題ではありません。
今までの設問の中にヒントがたくさんありました。あとはパズルのように繋げるだけです。
(1)でローレンツ力 F1=qvB を求めました。
(2)では遠心力 Fc=mv2/r がわかりました。またF1とFcが釣り合っていることもわかりました。
以上より、
F1=Fc
qvB=mv2/r
r=mv/qB
よってBの答えはmvになります。
円運動がなにか知らなくてもヒントを見逃さなければ解ける問題でした。
(3)‐2を解説
突然、角速度が出てきましたね。角速度とは、物が一秒間に回転する角度です。
今回の場合、”物”とは電子のことですね。電子が一秒間に何度回転するのか問われています。
そんなこと知ってどうなるんだ?とツッコミたくなりますが、聞かれているので求めてみましょう。
といっても、公式に当てはめるだけです。
角速度は以下の式で求められます。
ω=v/r
(ω:角速度,v:速さ,r:半径)
Bの答えより r=mv/qB ですので、
ω=qB/m
となります。
Cの答えはqBになります。
まとめ
A:qvB B:mv C:qB より解答は3になります。
《ポイント》
ローレンツ力:F=qvB
角速度:ω=v/r
公式を知っていれば3分で解ける問題っキ!
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次回も【無線工学の基礎】を解いていくよ。