応用問題438 磁場内の荷電粒子の運動

設問(1) 磁場の向き

直感的理解
電子(負電荷)が磁場中を運動するとローレンツ力を受けます。電子は電流の向き(正電荷の移動方向)と逆向きに動くので、フレミングの左手の法則を使う際は電流の向きを電子の速度と逆にとります。力が常に中心を向くよう磁場の向きを決めます。

図の円運動の向きから、ローレンツ力が常に中心向きになるには磁場は紙面に垂直で裏から表(または表から裏)の向き。

電子の速度 $\vec{v}$ と磁場 $\vec{B}$ に対して $\vec{F} = (-e)\vec{v} \times \vec{B}$ が中心向きになる必要があります。

答え:
磁場の向きは紙面の裏から表向き(図に示す向きに円運動する場合)
Point

負電荷の場合、$\vec{F} = q\vec{v} \times \vec{B}$ の $q$ が負なので力の向きが逆転する。フレミングの法則では「電流方向 = 電子の運動と逆」として適用。

設問(2) 円運動の半径

直感的理解
ローレンツ力 $evB$ が向心力 $mv^2/R$ の役割を果たします。「力 = 向心力」の一つの式で半径が求まります。速さが大きいほど・質量が大きいほど半径は大きく、磁場が強いほど・電荷が大きいほど半径は小さくなります。

運動方程式(向心方向):ローレンツ力が向心力として働くので

$$evB = \frac{mv^2}{R}$$

$v$ で両辺を割ると:

$$eB = \frac{mv}{R} \quad \Rightarrow \quad R = \frac{mv}{eB}$$
答え:
$$R = \frac{mv}{eB}$$

設問(3) 円運動の周期

直感的理解
周期 $T = 2\pi R/v$ に $R = mv/(eB)$ を代入すると $v$ が消えます。速い粒子は大きな円を描くが1周の時間は同じ。これがサイクロトロンの原理の基礎です。

周期の導出:円周 $2\pi R$ を速さ $v$ で一周する時間:

$$T = \frac{2\pi R}{v} = \frac{2\pi}{v} \cdot \frac{mv}{eB} = \frac{2\pi m}{eB}$$

速さ $v$ が約分されるため、周期は速さに依存しません。

答え:
$$T = \frac{2\pi m}{eB}$$
補足:周期が速さに依存しない物理的意味

速い粒子は大きな半径で円運動しますが、その分1周の距離も長くなり、結果として周期は同じになります。この性質はサイクロトロン(加速器)の動作原理に利用されています。

Point

磁場中の荷電粒子の円運動:$R = mv/(qB)$、$T = 2\pi m/(qB)$。周期は速さに依存しない(サイクロトロン周期)。

具体的な数値計算

電子(\(m_e = 9.1 \times 10^{-31}\) kg, \(e = 1.6 \times 10^{-19}\) C)が速さ \(v = 1.0 \times 10^7\) m/s で磁束密度 \(B = 5.0 \times 10^{-3}\) T の磁場中に垂直に入射したとき:

ローレンツ力:

$$F = evB = 1.6 \times 10^{-19} \times 1.0 \times 10^7 \times 5.0 \times 10^{-3} = 8.0 \times 10^{-15} \text{ N}$$

円運動の半径:\(F\) が向心力となる \(evB = m_e v^2 / R\) より

$$R = \frac{m_e v}{eB} = \frac{9.1 \times 10^{-31} \times 1.0 \times 10^7}{1.6 \times 10^{-19} \times 5.0 \times 10^{-3}} \fallingdotseq 1.1 \times 10^{-2} \text{ m}$$

周期:

$$T = \frac{2\pi m_e}{eB} = \frac{2\pi \times 9.1 \times 10^{-31}}{1.6 \times 10^{-19} \times 5.0 \times 10^{-3}} \fallingdotseq 7.1 \times 10^{-9} \text{ s}$$

周期は速さに依存せず、磁束密度と質量・電荷比だけで決まります(サイクロトロンの原理)。