Compresión diagonal de un haz de electrones por un par de imanes de barra

Mientras coordinaba un laboratorio de introducción a la física sobre la fuerza de Lorentz, me encontré con un comportamiento que no había visto antes y para el que no tenía una explicación preparada. El experimento consistió en poner un tubo CRT en un campo magnético uniforme haciendo que el haz de electrones se curvara y por lo tanto se moviera visiblemente en la pantalla. Para ello, colocaron el CRT en una bobina de Helmholtz.

Para tener una idea cualitativa de lo que está pasando, también tenían algunos imanes de barra a mano. Se suponía que solo debían usar uno de esos imanes para este propósito, y en ese caso el punto en la pantalla CRT se mueve como se esperaba: si el polo norte se coloca en el lado izquierdo del CRT (en relación con la pantalla frontal) el haz de electrones se mueve hacia abajo; si se coloca en el lado derecho, se mueve hacia arriba. Si ambos se realizan al mismo tiempo, se podría esperar que estos dos efectos se anulen aproximadamente. Y, de hecho, el centro del punto permanece cerca del centro de la pantalla en ese caso.

Sin embargo , en la práctica observo además que el punto circular en la pantalla se convierte en una elipse: cuanto más cerca se colocan los imanes del cañón de electrones, más fuerte es este efecto. Además, la compresión parece estar en un ángulo de 45º con respecto a la línea de los imanes, es decir, la mitad de los electrones se desvían hacia arriba ya la derecha del centro, y la mitad se desvían en la otra dirección. (Si los imanes se invierten de modo que sus polos sur estén cerca de cada lado del CRT, entonces el patrón cambia de izquierda a derecha).

Mi conjetura básica es que los campos magnéticos de los dos imanes sirven como una 'lente' para el haz de electrones; de hecho, creo que el propio CRT contiene una lente magnética de cuadrupolo cerca de su filamento para este propósito. Sin embargo, en ese caso habría esperado ingenuamente que la compresión se produjera en paralelo o perpendicular al eje de los imanes. ¿Hay una explicación fácil de por qué la compresión es a lo largo de la diagonal?

Respuestas (1)

La forma diagonal se explica fácilmente. Las dos figuras siguientes muestran el efecto de los imanes colocados a los lados del crt. Imagina un haz de electrones que fluye hacia ti en el centro de cada imagen.

líneas de campo magnéticofuente: http://www.ck12.org/api/flx/get/perma/modality/lesson/Magnets

La figura superior muestra el primer experimento: un campo magnético de lado a lado desvía los electrones hacia arriba o hacia abajo.

La figura inferior muestra el segundo experimento. Los campos de los dos imanes se cancelan entre sí en el centro, pero hay líneas de campo justo fuera del centro, que corren aproximadamente en diagonal. Como siempre, los electrones serán acelerados en una dirección perpendicular a las líneas de campo ya la dirección del movimiento. Si aplica su regla mnemotécnica favorita para las fuerzas de Lorentz, verá que en una diagonal las fuerzas están dirigidas hacia el centro, mientras que en la otra diagonal las fuerzas están dirigidas alejándose del centro.

Esto es exactamente lo que observaste.

Tu intuición de que funciona como una lente es algo correcta. Sin embargo, es una lente que tiene una distancia focal positiva a lo largo de una diagonal y una distancia focal negativa a lo largo de la otra diagonal. Puede usarse para corregir el astigmatismo en una imagen, al igual que el cilindro se usa en lentes ópticos para corregir el astigmatismo.

Agregue dos imanes más y tendrá una lente cuadripolar.
Este es exactamente el tipo de explicación simple que esperaba --- ¡gracias! (Tenía la segunda imagen, pero me perdí el significado crucial de esas líneas de campo diagonales cerca del punto medio).
Compresión diagonal de un haz de electrones por un par de imanes de barra
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