Moto di un elettrone in un campo elettrico e magnetico

Utilizzando il calcolo ricorrente approssimato è possibile simulare il moto di un elettrone prima dentro un campo elettrico per far aumentare la velocità e dopo dentro un campo magnetico. Questo moto avviene ad esempio dentro l'apparato per calcolare il rapporto carica massa dell'elettrone.

Dopo aver aperto il GeoGebra 5 ed anche il Python incorporato si prenda un punto A nell’origine e si copi il seguente codice (dopo # il commento che non influisce sul codice):

e=1.6E-19 # C carica elementare
m=9.11E-31#kg massa elettrone
dt=0.6E-11 # s
B=1.4E-3 #T campo magnetico
V=1.7E2 # Volts
dist=0.02 # m
Ele=V/dist #V/m campo elettrico
$A=(0,0)
$A.trace=True# traccia attiva
def vai():
    k=100 # fattore di scala
    t=0
    x=0 #m
    y=0
    vx=0 #m/s 3.000001E4
    vy=0
    FE=e*Ele   # N  Forza elettrica
    ax=FE/m
    while x<=0.02:
        vx=vx+ax*dt
        x=x+vx*dt
        t=t+dt
        $A.coords=(x*k,y*k)
    #fine campo elettrico, inizio campo magnetico
    t=0
    
    r=m*vx/(e*B)
    periodo=(2*3.14*r/vx)
    # il periodo di una rotazione e' dato da 2*pgreca*r/vx
    while t<=periodo:
        Fqx=-(e*vy*B) #formule per il prodotto vettore, la carica e negativa
        Fqy=e*vx*B
        ax=Fqx/m
        ay=Fqy/m
        vx=vx+ax*dt
        vy=vy+ay*dt
        x=x+vx*dt
        y=y+vy*dt
        t=t+dt
        $A.coords=(x*k,y*k)

Il primo ciclo di ripetizioni while serve per calcolare la velocità raggiunta dall'elettrone finchè esso si trova nella zona dove agisce il campo elettrico (di direzione uguale all'asse x e verso opposto) in questo caso da zero fino a 0.02 m.

Dopo inizia la zona dove agisce il campo magnetico (che si immagina di direzione perpendicolare al piano xy e diretto dal monitor verso chi guarda) e bisogna calcolare la forza di Lorentz con un prodotto vettore. Dati i vettori a di componenti [a1, a2, a3] e b di componenti [b1, b2, b3], le componenti del prodotto vettore  si trovano così:

a × b = [a2b3 − a3b2, a3b1 − a1b3, a1b2 − a2b1]

Tenendo conto che la carica dell'elettrone è negativa dobbiamo considerare che nel calcolare qv vettor B (prodotto vettore) q è negativa.

La velocità v ha solo le due componenti x e y cioè 1 e 2. Il moto avviene su di un piano mentre il campo B ha una unica componente z cioè 3.

Ecco allora spiegato perchè:

Fqx=-(e*vy*B)
Fqy=e*vx*B

Dopo aver copiato il codice rispettando il rientro delle colonne, eseguire Edit e Run Script e dopo nella riga di comando di Interactive, scrivere vai() e invio.


moto elettrone

E' anche possibile confrontare la traiettoria dell'elettrone con l'equazione della circonferenza ottenuta dal centro e dal raggio, che si disegna facilmente con il GeoGebra.

Bisogna purtroppo riscrivere nella riga di comando del GeoGebra i valori delle costanti fisiche ed i valori iniziali come campo magnetico, d.d.p., intervallo  d entro cui agisce il campo elettrico. Si possono scrivere così le formule per calcolare il campo elettrico, l'accelerazione, la velocità finale dell'elettrone all'uscita del campo elettrico (moto uniformemente accelerato v2 =(2 d a)2 radice quadrata) e in fine il raggio dell'orbita.

Con queste indicazioni si giunge a scrivere l'equazione della circonferenza di centro (2, r) e raggio r:
(x-2)2+ (y-100r)2 =(100r)2
Il fattore 100 prima di r è dovuto al fatto che nel grafico x=2 in centimetri, mentre i calcoli per trovare vengono svolti in metri)

Ecco il file di GeoGebra per trovare i dettagli.