Савченко · Глава 8. Электрический ток · § 8.1. Ток. Плотность тока. Ток в вакууме

Савченко, задача 8.1.1

Задача 8.1.1ток синхротрона и атома
Условие

а. В синхротроне электроны движутся по приблизительно круговой орбите длины \(l=240\) м. Во время цикла ускорения на орбите находится примерно \(n=10^{11}\) электронов, их скорость практически равна скорости света. Чему равен ток?

б. Определите ток, создаваемый электроном, движущимся по орбите радиуса \(r=0{,}5\cdot10^{-10}\) м в атоме водорода.

l = 240 м синхротрон, n = 10¹¹ + e r = 0,5·10⁻¹⁰ м атом водорода
К задаче 8.1.1. Кольцо синхротрона и боровская орбита — ток есть Q/T.
▶Посмотреть решениеСкрыть решение
Решение
Идея Ток — это заряд, пересекающий любое сечение орбиты за секунду. За один оборот через сечение проходит весь заряд, сидящий на орбите, поэтому \(I=Q/T\). Для синхротрона \(Q=ne\) и \(T=l/c\); для атома скорость берём из равенства кулоновской силы центростремительной.

а. Синхротрон. Электроны летят почти со скоростью света по кольцу длины \(l=240\) м. Период одного оборота

\[ T=\frac{l}{c}=\frac{240}{3\cdot10^8}=8\cdot10^{-7}\ \text{с}. \]

На орбите \(n=10^{11}\) электронов, полный заряд \(Q=ne=10^{11}\cdot1{,}6\cdot10^{-19}=1{,}6\cdot10^{-8}\) Кл. Через любое сечение кольца этот заряд проносится один раз за период, значит

\[ I=\frac{Q}{T}=\frac{nec}{l}=\frac{10^{11}\cdot1{,}6\cdot10^{-19}\cdot3\cdot10^8}{240}=0{,}02\ \text{А}. \]

Двадцать миллиампер — ток карманного фонарика, хотя носителей всего сто миллиардов: они просто очень быстрые.

б. Атом водорода. Электрон на первой боровской орбите радиуса \(r=0{,}5\cdot10^{-10}\) м. Кулоновская сила даёт центростремительное ускорение:

\[ \frac{m_ev^2}{r}=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{e^2}{r^2}\qquad\Longrightarrow\qquad v=\frac{e}{\sqrt{4\pi\varepsilon_0 m_e r}}. \]

Период \(T=2\pi r/v\), ток одного электрона \(I=e/T=ev/(2\pi r)\). Подставляем скорость:

\[ I=\frac{e^2}{2\pi r\sqrt{4\pi\varepsilon_0 m_e r}}. \]

Численно удобнее сначала найти боровскую скорость. Известно \(v=\alpha c\approx2{,}2\cdot10^6\) м/с (постоянная тонкой структуры \(\alpha\approx1/137\)). Тогда

\[ T=\frac{2\pi r}{v}=\frac{2\pi\cdot0{,}5\cdot10^{-10}}{2{,}2\cdot10^6}\approx1{,}43\cdot10^{-16}\ \text{с}, \] \[ I=\frac{e}{T}=\frac{1{,}6\cdot10^{-19}}{1{,}43\cdot10^{-16}}\approx1{,}1\cdot10^{-3}\ \text{А}\approx0{,}0012\ \text{А}. \]
Проверка. Прямая подстановка в формулу с \(\varepsilon_0=8{,}85\cdot10^{-12}\), \(m_e=9{,}1\cdot10^{-31}\) даёт тот же \(1{,}2\) мА. В ответах задачника формула иногда набрана с опечаткой (\(e^4\) в числителе); число \(0{,}0012\) А верное. Любопытно, что «атомный ток» в шестьдесят раз больше синхротронного: орбита в \(10^{12}\) раз короче, и это перекрывает малость заряда.
Ответа) \(I=nec/l=0{,}02\) А; б) \(I=e^2\bigl/(2\pi r\sqrt{4\pi\varepsilon_0 m_e r}\bigr)\approx0{,}0012\) А.
Следующая задача 8.1.2 →