На рисунке показана схема устройства для предварительного отбора заряженных частиц из источника частиц (и.ч.) для последующего детального исследования. Устройство представляет собой конденсатор, пластины которого изогнуты дугой радиусом R. Предположим, что в промежутке между обкладками конденсатора, не касаясь их, пролетают молекулы интересующего нас вещества, потерявшие один электрон. Во сколько раз нужно изменить напряжение на обкладках конденсатора, чтобы сквозь него могли пролетать такие же ионы, но имеющие в 2 раза большую кинетическую энергию? Считать, что расстояние между обкладками конденсатора мало, напряжённость электрического поля в конденсаторе всюду одинакова по модулю, а вне конденсатора электрическое поле отсутствует. Влиянием силы тяжести пренебречь.
Ион пролетит сквозь конденсатор, не коснувшись его пластин, только в том случае, если будет двигаться по окружности радиуса . Так как силой тяжести иона пренебрегаем, то на ион с силой F действует только электрическое поле конденсатора с напряженностью
. Так как конденсатор искривлен, то направление напряженности будет непрерывно меняться.
На частицу будет действовать электрическая сила, равная
Напряженность поля равна
Тогда
где – заряд,
– напряжение между обкладками конденсатора,
– расстояние между обкладками конденсатора.
Эта сила по второму закону Ньютона будет порождать центростремительное ускорение, равное
При этом второй закон Ньютона будет выглядеть следующим образом
В проекции на ось, направленную в центр траектории
Кинетическая энергия выражается формулой:
Выразим из второго закона Ньютона формулу кинетической энергии
Откуда напряжение равно
из соотношения видно, что напряжение надо увеличить в 2 раза.