Particella carica in un campo elettrico uniforme

Il moto viene calcolato utilizzando le grandezze fisiche reali nel Sistema Internazionale. I pixel sono utilizzati soltanto per la rappresentazione grafica.
Risultati della simulazione
La particella non ha ancora raggiunto un'armatura.

Il modello fisico

Una particella carica entra orizzontalmente nella regione compresa tra due armature parallele di un condensatore. Tra le armature è presente un campo elettrico uniforme.

La particella entra con velocità iniziale orizzontale:

\[ \vec v_0=v_0\hat{y} \]

Forza elettrica

Su una particella di carica \(q\), immersa in un campo elettrico \(\vec E\), agisce la forza:

\[ \boxed{\vec F=q\vec E} \]

Una particella positiva viene accelerata nel verso del campo, mentre una particella negativa viene accelerata in verso opposto.

Accelerazione

Dalla prima legge della dinamica:

\[ \vec F=m\vec a \]

segue:

\[ \boxed{\vec a=\frac{q\vec E}{m}} \]

Poiché il campo è verticale:

\[ a_y=\frac{qE_y}{m} \]

Il moto orizzontale

Il campo elettrico non ha componente orizzontale. Pertanto:

\[ F_x=0 \] \[ a_x=0 \]

La velocità orizzontale rimane quindi costante:

\[ \boxed{v_x=v_0} \]

e la posizione orizzontale è:

\[ \boxed{x(t)=v_0t} \]

Il moto verticale

In direzione verticale l'accelerazione è costante. Poiché la velocità verticale iniziale è nulla:

\[ v_y(t)=a_y t \]

e:

\[ \boxed{y(t)=\frac12a_y t^2} \]

La traiettoria

Eliminando il tempo dalle equazioni del moto si ottiene:

\[ \boxed{ y=\frac{a_y}{2v_0^2}x^2 } \]

La traiettoria è quindi una parabola.

Quando la particella colpisce un'armatura?

La particella parte dalla linea mediana del condensatore. La distanza da ciascuna armatura è quindi \(d/2\). L'impatto avviene quando:

\[ \boxed{ |y|=\frac d2 } \]

Utilizzando:

\[ |y|=\frac12|a_y|t^2 \]

si ottiene:

\[ \boxed{ t_{\mathrm{armatura}} = \sqrt{\frac{d}{|a_y|}} } \]

La distanza orizzontale percorsa prima dell'impatto è:

\[ \boxed{ x_{\mathrm{armatura}} = v_0 \sqrt{\frac{d}{|a_y|}} } \]

Impatto oppure uscita dal condensatore?

La lunghezza delle armature è \(L\). La particella può quindi trovarsi in due situazioni.

Se:

\[ x_{\mathrm{armatura}} < L \]

la particella raggiunge un'armatura prima di uscire dal condensatore.

Se invece:

\[ x_{\mathrm{armatura}}\geq L \]

la particella percorre tutta la regione tra le armature ed esce dal condensatore.

Costanti fisiche

\[ e=1{,}602176634\times10^{-19}\,\mathrm N \] \[ m_e=9{,}1093837\times10^{-31}\,\mathrm{kg} \] \[ m_p=1{,}6726219\times10^{-27}\,\mathrm{kg} \]

Il calcolo numerico utilizza queste grandezze in unità SI. La scala grafica è invece indipendente dalla scala fisica: serve soltanto a rappresentare in modo leggibile la situazione sul canvas.