На входе прямого канала с прямоугольным поперечным сечением расположена пушка, испускающая частицы с массой m и зарядом +q. На выходе канала расположены две металлические сетки, между которыми фиксирована некоторая разность потенциалов, В результате в пространстве между сетками есть однородное электрическое поле, и на частицу в этом пространстве действует сила F, направленная внутрь канала. Расстояние между сетками равно h. Концентрация выброшенных пушкой частиц, подлетающих к сеткам, равна n, а их скорость направлена вдоль канала и равна u. За сетками находится вакуум. Плотность сеток мала, так что частицы практически не натыкаются на провода сеток, пролетая сквозь них. Найдите давление, с которым частицы действуют на систему двух сеток. Считайте, что концентрация частиц мала, поэтому их взаимодействием друг с другом можно пренебречь.
При различных наборах параметров у этой задачи будет два множества непрерывных ответов. Эти наборы параметров будут отвечать за два типа движения: частицы пролетают электрическое поле насквозь и частицы разворачиваются в электрическом поле, меняя направление своей скорости. Рассмотрим отдельно эти два случая. Рассмотрим для начала ситуацию, в которой частицы разворачиваются в электрическом поле, то есть толщины h хватает для того, чтобы остановить в некоторый момент частицу и заставить лететь её в противоположном направлении. Введём ось Ох, как показано на рисунке. Тогда зависимость координаты и скорости частицы, влетевшей в начальный момент времени в электрическое поле, будет выглядеть следующим образом
Определим теперь критическую ширину h, при которой возможен такой тип движения частицы — с разворотом в поле.
Время, через которое частица будет иметь нулевую скорость, равняется, из уравнения (2):
Подставляя это время в зависимость координаты от времени (1), получаем условие на точку разворота — она должна находиться в области действия силы F:
Подставляя в (4) закон движения (1), получаем условие на критическую толщину:
Определим теперь давление частиц на систему сеток, создающих электрическое поле в случае, когда то есть, когда частицы разворачиваются в электрическом поле. За время dt через площадь сечения канала dS пролетает число частиц, равное
Эти частицы, повернувшись в электрическом поле, вылетают из него внутрь канала с той же скоростью, с которой они влетали в поле, поэтому полное изменение импульса этих частиц в проекции на ось Ox будет равно
По третьему закону Ньютона, такой же импульс, но с противоположным знаком, приобрела система из двух сеток, создающая это электрическое поле
Учитывая, что сила, действующая на элемент площади dS системы двух сеток равна и что давление на эти сетки будет равно
получаем итоговое давление
Напомним, что это давление в случае
Осталось рассмотреть случай В этом случае частицы пролетают электрическое поле насквозь и в канал более не возвращаются. Посчитаем также изменение импульса частиц, пролетевших через поперечное сечение канала площади dS за время dt и с его помощью найдём соответствующее изменение импульса участка системы сеток той же площади за то де время.
Рассмотрим частицу, которая влетела в электрическое поле в нулевой момент времени. Законы изменения координаты и скорости для неё внутри поля будут следующими:
Посчитаем скорость на вылете из этого поля Время, которое частица провела в поле, определяется условием
Подставляя в него закон движения (10), получаем два возможных значения tвылета:
Из которых нас интересует минимальный — тот, что идёт со знаком минус. Отсюда, кстати, видно условие на уже вычисленную критическую толщину поля — выражение под корнем должно быть положительным.
Подставляя найденное время вылета в закон изменения скорости (11), получаем, что на вылет из поля, частицы имеют скорость
Тогда изменение импульса одной частицы будет равно ( в проекции на ось Ox)
Теперь, рассматривая поток частиц, рассуждениями, аналогичными рассуждениям в случае «отражения» частиц, мы получаем давление на систему сеток, равное
Теперь можно записать полный ответ:
В случае давление будет равно
В случае давление будет равно
где
Ответ: если давление будет равно
если
давление будет равно
где

