Η δύναμη Lorentz έχει μέγιστη τιμή στο. Ποια είναι η δύναμη Lorentz, ποιο είναι το μέγεθος και η κατεύθυνση αυτής της δύναμης

Δύναμη που ενεργεί από το πλάι μαγνητικό πεδίοσε κινούμενο ηλεκτρικά φορτισμένο σωματίδιο.

όπου q είναι το φορτίο των σωματιδίων.

V - ταχύτητα φόρτισης.

α είναι η γωνία μεταξύ του διανύσματος ταχύτητας φορτίου και του διανύσματος μαγνητικής επαγωγής.

Καθορίζεται η κατεύθυνση της δύναμης Lorentz Κανόνας του αριστερού χεριού:

Εάν τοποθετήσετε το αριστερό σας χέρι με τέτοιο τρόπο ώστε η συνιστώσα του διανύσματος επαγωγής που είναι κάθετη στην ταχύτητα να εισέρχεται στην παλάμη και τέσσερα δάχτυλα βρίσκονται στην κατεύθυνση του θετικού φορτίου (ή αντίθετα προς την κατεύθυνση της ταχύτητας αρνητικό φορτίο), μετά λύγισε αντίχειραςθα δείξει την κατεύθυνση της δύναμης Lorentz:

Εφόσον η δύναμη Lorentz είναι πάντα κάθετη στην ταχύτητα του φορτίου, δεν λειτουργεί (δηλ. δεν αλλάζει την τιμή της ταχύτητας φόρτισης και της κινητική ενέργεια).

Εάν ένα φορτισμένο σωματίδιο κινείται παράλληλα με τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου, τότε Fl \u003d 0 και το φορτίο στο μαγνητικό πεδίο κινείται ομοιόμορφα και ευθύγραμμα.

Εάν ένα φορτισμένο σωματίδιο κινείται κάθετα στις γραμμές του μαγνητικού πεδίου, τότε η δύναμη Lorentz είναι κεντρομόλος:

και δημιουργεί κεντρομόλος επιτάχυνσηίσο με:

Σε αυτή την περίπτωση, το σωματίδιο κινείται σε κύκλο.

Σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο του Νεύτωνα: η δύναμη Lorentz είναι ίση με το γινόμενο της μάζας του σωματιδίου και της κεντρομόλου επιτάχυνσης:

τότε η ακτίνα του κύκλου είναι:

και η περίοδος κυκλοφορίας φορτίου σε μαγνητικό πεδίο:

Δεδομένου ότι το ηλεκτρικό ρεύμα είναι μια διατεταγμένη κίνηση φορτίων, η δράση ενός μαγνητικού πεδίου σε έναν αγωγό που μεταφέρει ρεύμα είναι το αποτέλεσμα της δράσης του σε μεμονωμένα κινούμενα φορτία. Εάν εισάγουμε έναν αγωγό που μεταφέρει ρεύμα σε ένα μαγνητικό πεδίο (Εικ. 96, α), τότε θα δούμε ότι ως αποτέλεσμα της προσθήκης των μαγνητικών πεδίων του μαγνήτη και του αγωγού, το μαγνητικό πεδίο που προκύπτει θα αυξηθεί σε ένα πλευρά του αγωγού (στο παραπάνω σχέδιο) και το μαγνητικό πεδίο θα εξασθενήσει στην άλλη πλευρά του αγωγού (στο παρακάτω σχέδιο). Ως αποτέλεσμα της δράσης δύο μαγνητικών πεδίων, οι μαγνητικές γραμμές θα λυγίσουν και, προσπαθώντας να συσταλούν, θα σπρώξουν τον αγωγό προς τα κάτω (Εικ. 96, β).

Η κατεύθυνση της δύναμης που επενεργεί σε έναν αγωγό που μεταφέρει ρεύμα σε ένα μαγνητικό πεδίο μπορεί να προσδιοριστεί από τον «κανόνα της αριστερής πλευράς». Εάν το αριστερό χέρι τοποθετηθεί σε μαγνητικό πεδίο έτσι ώστε οι μαγνητικές γραμμές που βγαίνουν από τον βόρειο πόλο, όπως ήταν, να εισέλθουν στην παλάμη και τα τέσσερα τεντωμένα δάχτυλα συμπίπτουν με την κατεύθυνση του ρεύματος στον αγωγό, τότε ο λυγισμένος αντίχειρας του χεριού θα δείξει την κατεύθυνση της δύναμης. Το αμπέρ που ασκεί πίεση στο στοιχείο του μήκους του αγωγού εξαρτάται: από το μέγεθος της μαγνητικής επαγωγής Β, το μέγεθος του ρεύματος στον αγωγό Ι, από το στοιχείο του μήκους του αγωγού και από το ημίτονο της γωνίας a μεταξύ την κατεύθυνση του στοιχείου του μήκους του αγωγού και την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου.

Αυτή η εξάρτηση μπορεί να εκφραστεί με τον τύπο:

Για έναν ευθύγραμμο αγωγό πεπερασμένου μήκους, που είναι τοποθετημένος κάθετα προς την κατεύθυνση ενός ομοιόμορφου μαγνητικού πεδίου, η δύναμη που ασκείται στον αγωγό θα είναι ίση με:

Από τον τελευταίο τύπο, προσδιορίζουμε τη διάσταση της μαγνητικής επαγωγής.

Επειδή η διάσταση της δύναμης είναι:

Δηλαδή, η διάσταση της επαγωγής είναι η ίδια με αυτή που λάβαμε από το νόμο του Biot και του Savart.

Tesla (μονάδα μαγνητικής επαγωγής)

Tesla,μονάδα μαγνητικής επαγωγής Διεθνές σύστημα μονάδων,ίσος μαγνητική επαγωγή,στην οποία η μαγνητική ροή διαμέσου μιας διατομής εμβαδού 1 Μ 2 ισούται με 1 Weber.Πήρε το όνομα του Ν. Tesla.Ονομασίες: Ρωσική tl,διεθνής Τ. 1 tl = 104 gs(γκαους).

Μαγνητική ροπή, μαγνητική διπολική ροπή- η κύρια τιμή που χαρακτηρίζει μαγνητικές ιδιότητεςουσίες. Η μαγνητική ροπή μετριέται σε A⋅m 2 ή J/T (SI), ή erg/Gs (CGS), 1 erg/Gs = 10 -3 J/T. Η συγκεκριμένη μονάδα της στοιχειώδους μαγνητικής ροπής είναι το μαγνητόνιο Bohr. Στην περίπτωση επίπεδου κυκλώματος με ηλεκτρικό ρεύμα, η μαγνητική ροπή υπολογίζεται ως

Οπου - τρέχουσα δύναμηστο περίγραμμα, είναι η περιοχή του περιγράμματος, είναι το μοναδιαίο διάνυσμα του κανονικού προς το επίπεδο του περιγράμματος. Η κατεύθυνση της μαγνητικής ροπής βρίσκεται συνήθως σύμφωνα με τον κανόνα του τεμαχίου: εάν περιστρέψετε τη λαβή του στεγανοποιητικού προς την κατεύθυνση του ρεύματος, τότε η κατεύθυνση της μαγνητικής ροπής θα συμπίπτει με την κατεύθυνση της μεταφορικής κίνησης του στελέχους.

Για έναν αυθαίρετο κλειστό βρόχο, η μαγνητική ροπή βρίσκεται από:

όπου είναι το διάνυσμα ακτίνας που σχεδιάζεται από την αρχή έως το στοιχείο μήκους περιγράμματος

Στη γενική περίπτωση αυθαίρετης κατανομής ρευμάτων στο μέσο:

όπου είναι η πυκνότητα ρεύματος στο στοιχείο όγκου.

Έτσι, μια ροπή δρα σε ένα κύκλωμα με ρεύμα σε μαγνητικό πεδίο. Το περίγραμμα προσανατολίζεται σε ένα δεδομένο σημείο του πεδίου με έναν μόνο τρόπο. Ας πάρουμε τη θετική κατεύθυνση της κανονικής ως τη διεύθυνση του μαγνητικού πεδίου σε ένα δεδομένο σημείο. Η ροπή είναι ευθέως ανάλογη του ρεύματος Εγώ, περιοχή περιγράμματος μικρόκαι το ημίτονο της γωνίας μεταξύ της διεύθυνσης του μαγνητικού πεδίου και της κανονικής .

Εδώ Μ - ροπή , ή στιγμή δύναμης , - μαγνητική ροπή περίγραμμα (ομοίως - η ηλεκτρική ροπή του διπόλου).

Σε ένα ανομοιογενές πεδίο (), ο τύπος είναι έγκυρος εάν Το μέγεθος του περιγράμματος είναι αρκετά μικρό(τότε το πεδίο μπορεί να θεωρηθεί περίπου ομοιογενές εντός του περιγράμματος). Κατά συνέπεια, το κύκλωμα μεταφοράς ρεύματος εξακολουθεί να τείνει να περιστρέφεται έτσι ώστε η μαγνητική του ροπή να κατευθύνεται κατά μήκος των διανυσματικών γραμμών.

Αλλά, επιπλέον, η προκύπτουσα δύναμη δρα στο κύκλωμα (στην περίπτωση ενός ομοιόμορφου πεδίου και. Αυτή η δύναμη δρα στο κύκλωμα μεταφοράς ρεύματος ή σε έναν μόνιμο μαγνήτη με ροπή και τους έλκει στην περιοχή ενός ισχυρότερου μαγνητικού πεδίου .
Εργαστείτε για την κίνηση ενός κυκλώματος με ρεύμα σε μαγνητικό πεδίο.

Είναι εύκολο να αποδειχθεί ότι η εργασία που γίνεται για τη μετακίνηση ενός κυκλώματος με ρεύμα σε ένα μαγνητικό πεδίο είναι ίση με , όπου και - μαγνητικές ροές διαμέσου της περιοχής του κυκλώματος στην τελική και αρχική θέση. Αυτός ο τύπος ισχύει εάν το ρεύμα στο κύκλωμα είναι σταθερό, δηλ. κατά τη μετακίνηση του περιγράμματος, το φαινόμενο δεν λαμβάνεται υπόψη ηλεκτρομαγνητική επαγωγή.

Ο τύπος ισχύει επίσης για μεγάλα περιγράμματα σε εξαιρετικά ανομοιογενές μαγνητικό πεδίο (υπό την προϋπόθεση I= const).

Τέλος, αν το κύκλωμα μεταφοράς ρεύματος δεν μετατοπιστεί, αλλά αλλάξει το μαγνητικό πεδίο, δηλ. αλλάξτε τη μαγνητική ροή μέσω της επιφάνειας που καλύπτεται από το περίγραμμα, από μια τιμή σε τότε για αυτό πρέπει να κάνετε την ίδια εργασία . Αυτή η εργασία ονομάζεται εργασία αλλαγής της μαγνητικής ροής που σχετίζεται με το κύκλωμα. Ροή του διανύσματος μαγνητικής επαγωγής (μαγνητική ροή)διαμέσου της περιοχής dS ονομάζεται βαθμωτός φυσική ποσότητα, που ισούται με

όπου B n =Вcosα είναι η προβολή του διανύσματος ΣΕπρος την κατεύθυνση της κανονικής προς την περιοχή dS (α είναι η γωνία μεταξύ των διανυσμάτων nΚαι ΣΕ), δ μικρό= dS nείναι ένα διάνυσμα του οποίου ο συντελεστής είναι ίσος με dS και η διεύθυνση του συμπίπτει με την κατεύθυνση της κανονικής nστον ιστότοπο. Διανυσματική ροή ΣΕμπορεί να είναι θετικό και αρνητικό ανάλογα με το πρόσημο του cosα (ορίζεται από την επιλογή της θετικής κατεύθυνσης του κανονικού n). Διανυσματική ροή ΣΕσυνήθως συνδέεται με ένα κύκλωμα μέσω του οποίου ρέει ρεύμα. Σε αυτή την περίπτωση, ορίζουμε τη θετική κατεύθυνση του κανονικού στο περίγραμμα: συνδέεται με το ρεύμα από τον κανόνα της δεξιάς βίδας. Αυτό σημαίνει ότι η μαγνητική ροή, που δημιουργείται από το περίγραμμα, μέσω της επιφάνειας που περιορίζεται από μόνη της, είναι πάντα θετική.

Η ροή του διανύσματος μαγνητικής επαγωγής Ф B μέσω μιας αυθαίρετης δεδομένης επιφάνειας S είναι ίση με

(2)

Για ένα ομοιόμορφο πεδίο και μια επίπεδη επιφάνεια που είναι κάθετη στο διάνυσμα ΣΕ, B n =B=const και

Από αυτόν τον τύπο, ορίζεται η μονάδα μαγνητικής ροής Weber(Wb): 1 Wb - μαγνητική ροή που διέρχεται από μια επίπεδη επιφάνεια 1 m 2, η οποία βρίσκεται κάθετα σε ένα ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο και της οποίας η επαγωγή είναι 1 T (1 Wb \u003d 1 Tl.m 2).

Το θεώρημα του Gauss για το πεδίο Β: η ροή του διανύσματος μαγνητικής επαγωγής σε οποιαδήποτε κλειστή επιφάνεια είναι μηδέν:

(3)

Αυτό το θεώρημα αντανακλά το γεγονός ότι χωρίς μαγνητικά φορτία, με αποτέλεσμα οι γραμμές μαγνητικής επαγωγής να μην έχουν ούτε αρχή ούτε τέλος και να είναι κλειστές.

Επομένως, για διανυσματικές ροές ΣΕΚαι μιδιαφορετικοί τύποι λαμβάνονται μέσω μιας κλειστής επιφάνειας στα πεδία δίνης και δυναμικού.

Για παράδειγμα, ας βρούμε τη ροή του διανύσματος ΣΕμέσω της ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας. Η μαγνητική επαγωγή ενός ομοιόμορφου πεδίου μέσα σε μια ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα με πυρήνα με μαγνητική διαπερατότητα μ είναι ίση με

Η μαγνητική ροή μέσω μιας στροφής ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας με εμβαδόν S είναι ίση με

και η συνολική μαγνητική ροή, η οποία συνδέεται με όλες τις στροφές της ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας και ονομάζεται σύνδεση ροής,

ΑΦΗΡΗΜΕΝΗ

Με θέμα "Φυσική"
Θέμα: "Εφαρμογή της δύναμης Lorentz"

Συμπλήρωσε: Μαθητής της ομάδας T-10915Logunova M.V.

Δάσκαλος Vorontsov B.S.

Kurgan 2016

Εισαγωγή. 3

1. Χρησιμοποιώντας τη δύναμη Lorentz. 4

.. 4

1.2 Φασματομετρία μάζας. 6

1. Γεννήτρια 3 MHD. 7

1,4 Κυκλότρον. 8

Συμπέρασμα. έντεκα

Κατάλογος χρησιμοποιημένης βιβλιογραφίας.. 13

Εισαγωγή

Δύναμη Lorentz- η δύναμη με την οποία το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, σύμφωνα με την κλασσική (μη κβαντική) ηλεκτροδυναμική, δρα σε ένα σημειακά φορτισμένο σωματίδιο. Μερικές φορές η δύναμη Lorentz ονομάζεται η δύναμη που ενεργεί σε ένα κινούμενο με ταχύτητα υ χρέωση qμόνο από την πλευρά του μαγνητικού πεδίου, συχνά η πλήρης δύναμη - από την πλευρά ηλεκτρομαγνητικό πεδίογενικά, με άλλα λόγια, από το ηλεκτρικό μικαι μαγνητική σιχωράφια.

Στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων (SI) εκφράζεται ως:

φά L = q υ σι sina

Πήρε το όνομά του από τον Ολλανδό φυσικό Hendrik Lorenz, ο οποίος ανέπτυξε μια έκφραση για αυτή τη δύναμη το 1892. Τρία χρόνια πριν από τον Lorentz, η σωστή έκφραση βρέθηκε από τον O. Heaviside.

Η μακροσκοπική εκδήλωση της δύναμης Lorentz είναι η δύναμη Ampère.

Χρησιμοποιώντας τη δύναμη Lorentz

Η δράση που ασκείται από ένα μαγνητικό πεδίο στα κινούμενα φορτισμένα σωματίδια χρησιμοποιείται ευρέως στην τεχνολογία.

Η κύρια εφαρμογή της δύναμης Lorentz (ακριβέστερα, η ειδική της περίπτωση - η δύναμη Ampère) είναι οι ηλεκτρικές μηχανές (ηλεκτρικοί κινητήρες και γεννήτριες). Η δύναμη Lorentz χρησιμοποιείται ευρέως σε ηλεκτρονικές συσκευές για δράση σε φορτισμένα σωματίδια (ηλεκτρόνια και μερικές φορές ιόντα), για παράδειγμα, στην τηλεόραση σωλήνες καθοδικών ακτίνων , V φασματομετρία μάζαςΚαι Γεννήτριες MHD.

Επίσης, στις πειραματικές εγκαταστάσεις που δημιουργήθηκαν σήμερα για την υλοποίηση μιας ελεγχόμενης θερμοπυρηνικής αντίδρασης, η δράση ενός μαγνητικού πεδίου στο πλάσμα χρησιμοποιείται για να το στρίψει σε ένα καλώδιο που δεν αγγίζει τα τοιχώματα του θαλάμου εργασίας. Η κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων σε έναν κύκλο σε ένα ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο και η ανεξαρτησία της περιόδου αυτής της κίνησης από την ταχύτητα του σωματιδίου χρησιμοποιούνται σε κυκλικούς επιταχυντές φορτισμένων σωματιδίων - κυκλοτρόνια.

1. 1. Συσκευές δέσμης ηλεκτρονίων

Συσκευές δέσμης ηλεκτρονίων (EBD) - μια κατηγορία ηλεκτρονικών συσκευών κενού που χρησιμοποιούν ένα ρεύμα ηλεκτρονίων συγκεντρωμένων με τη μορφή μίας δέσμης ή δέσμης δέσμης, τα οποία ελέγχονται τόσο από την ένταση (ρεύμα) όσο και από τη θέση στο χώρο και αλληλεπιδρούν με έναν σταθερό χωρικό στόχο (οθόνη) της συσκευής. Το κύριο αντικείμενο του ELP είναι η μετατροπή οπτικών πληροφοριών σε ηλεκτρικά σήματα και η αντίστροφη μετατροπή ενός ηλεκτρικού σήματος σε οπτικό, για παράδειγμα, σε ορατή τηλεοπτική εικόνα.

Η κατηγορία των συσκευών καθοδικών ακτίνων δεν περιλαμβάνει σωλήνες ακτίνων Χ, φωτοκύτταρα, φωτοπολλαπλασιαστές, συσκευές εκκένωσης αερίου (δεκάτρον) και ηλεκτρονικούς λαμπτήρες λήψης-ενίσχυσης (τετρόδια δέσμης, ηλεκτρικοί δείκτες κενού, λαμπτήρες δευτερεύουσας εκπομπής κ.λπ.) με δέσμη μορφή ρευμάτων.

Μια συσκευή δέσμης ηλεκτρονίων αποτελείται από τουλάχιστον τρία κύρια μέρη:

· Ένας ηλεκτρονικός προβολέας (όπλο) σχηματίζει μια δέσμη ηλεκτρονίων (ή μια δέσμη δεσμών, για παράδειγμα, τρεις δέσμες σε ένα έγχρωμο κινοσκόπιο) και ελέγχει την έντασή της (ρεύμα).

· Το σύστημα εκτροπής ελέγχει τη χωρική θέση της δέσμης (την απόκλιση από τον άξονα του προβολέα).

· Ο στόχος (οθόνη) του ELP λήψης μετατρέπει την ενέργεια της δέσμης στη φωτεινή ροή της ορατής εικόνας. ο στόχος του ELP εκπομπής ή αποθήκευσης συσσωρεύει μια ανακούφιση χωρικού δυναμικού που διαβάζεται από μια δέσμη ηλεκτρονίων σάρωσης

Ρύζι. 1 συσκευή CRT

Γενικές αρχές της συσκευής.

Δημιουργείται ένα βαθύ κενό στη δεξαμενή CRT. Για τη δημιουργία μιας δέσμης ηλεκτρονίων, χρησιμοποιείται μια συσκευή που ονομάζεται πιστόλι ηλεκτρονίων. Η κάθοδος που θερμαίνεται από το νήμα εκπέμπει ηλεκτρόνια. Αλλάζοντας την τάση στο ηλεκτρόδιο ελέγχου (διαμορφωτή), μπορείτε να αλλάξετε την ένταση της δέσμης ηλεκτρονίων και, κατά συνέπεια, τη φωτεινότητα της εικόνας. Μετά την έξοδο από το πιστόλι, τα ηλεκτρόνια επιταχύνονται από την άνοδο. Στη συνέχεια, η δέσμη διέρχεται από ένα σύστημα εκτροπής, το οποίο μπορεί να αλλάξει την κατεύθυνση της δέσμης. Στα CRT τηλεόρασης, χρησιμοποιείται ένα σύστημα μαγνητικής εκτροπής, καθώς παρέχει μεγάλες γωνίες εκτροπής. Σε παλμογράφους CRT, χρησιμοποιείται ένα σύστημα ηλεκτροστατικής παραμόρφωσης καθώς παρέχει ταχύτερη απόκριση. Η δέσμη ηλεκτρονίων χτυπά ένα πλέγμα επικαλυμμένο με φώσφορο. Από τον βομβαρδισμό από ηλεκτρόνια, ο φώσφορος λάμπει και ένα ταχέως κινούμενο σημείο μεταβλητής φωτεινότητας δημιουργεί μια εικόνα στην οθόνη.

1.2 Φασματομετρία μάζας

Ρύζι. 2

Η δράση της δύναμης Lorentz χρησιμοποιείται επίσης σε συσκευές που ονομάζονται φασματογράφοι μάζας, οι οποίοι είναι σχεδιασμένοι να διαχωρίζουν τα φορτισμένα σωματίδια σύμφωνα με τα ειδικά φορτία τους.

Φασματομετρία μάζας(φασματοσκοπία μάζας, φασματογραφία μάζας, ανάλυση φασματοσκοπίας μάζας, φασματομετρική ανάλυση μάζας) - μια μέθοδος για τη μελέτη μιας ουσίας που βασίζεται στον προσδιορισμό της αναλογίας μάζας προς φορτίο ιόντων που σχηματίζονται από τον ιονισμό των συστατικών του δείγματος που ενδιαφέρουν. Μία από τις πιο ισχυρές μεθόδους για την ποιοτική ταυτοποίηση ουσιών, που επιτρέπει και ποσοτικό προσδιορισμό. Μπορούμε να πούμε ότι η φασματομετρία μάζας είναι το «ζύγισμα» των μορίων του δείγματος.

Το σχήμα του απλούστερου φασματογράφου μάζας φαίνεται στο σχήμα 2.

Στον θάλαμο 1, από τον οποίο εκκενώνεται ο αέρας, υπάρχει μια πηγή ιόντων 3. Ο θάλαμος τοποθετείται σε ένα ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο, σε κάθε σημείο του οποίου η επαγωγή B⃗ B → είναι κάθετη στο επίπεδο του σχεδίου και κατευθύνεται προς εμάς ( στο Σχήμα 1 αυτό το πεδίο υποδεικνύεται με κύκλους). Μεταξύ των ηλεκτροδίων Α και Β εφαρμόζεται μια επιταχυνόμενη τάση, υπό τη δράση της οποίας τα ιόντα που εκπέμπονται από την πηγή επιταχύνονται και εισέρχονται στο μαγνητικό πεδίο με μια ορισμένη ταχύτητα κάθετη στις γραμμές επαγωγής. Κινούμενοι σε ένα μαγνητικό πεδίο κατά μήκος ενός τόξου κύκλου, τα ιόντα πέφτουν στη φωτογραφική πλάκα 2, γεγονός που καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό της ακτίνας R αυτού του τόξου. Γνωρίζοντας την επαγωγή του μαγνητικού πεδίου Β και την ταχύτητα υ των ιόντων, σύμφωνα με τον τύπο

μπορεί να προσδιοριστεί το ειδικό φορτίο των ιόντων. Και αν το φορτίο ενός ιόντος είναι γνωστό, η μάζα του μπορεί να υπολογιστεί.

Η ιστορία της φασματομετρίας μάζας ξεκινά με τα θεμελιώδη πειράματα του J. J. Thomson στις αρχές του 20ου αιώνα. Η κατάληξη "-metria" στο όνομα της μεθόδου εμφανίστηκε μετά την ευρεία μετάβαση από την ανίχνευση φορτισμένων σωματιδίων χρησιμοποιώντας φωτογραφικές πλάκες σε ηλεκτρικές μετρήσειςιοντικά ρεύματα.

Η φασματομετρία μάζας βρίσκει ιδιαίτερα ευρεία εφαρμογή στην ανάλυση οργανική ύλη, επειδή παρέχει αξιόπιστη αναγνώριση τόσο απλών όσο και πολύπλοκων μορίων. Η μόνη γενική απαίτηση είναι το μόριο να είναι ιονιζόμενο. Ωστόσο, μέχρι τώρα ήταν

Υπάρχουν τόσοι πολλοί τρόποι ιονισμού συστατικών του δείγματος που η φασματομετρία μάζας μπορεί να θεωρηθεί μια σχεδόν καθολική μέθοδος.

1. Γεννήτρια 3 MHD

Μαγνητοϋδροδυναμική γεννήτρια, γεννήτρια MHD - μια μονάδα παραγωγής ενέργειας στην οποία η ενέργεια του ρευστού εργασίας (υγρό ή αέριο ηλεκτρικά αγώγιμο μέσο) που κινείται σε ένα μαγνητικό πεδίο μετατρέπεται απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια.

Η αρχή της λειτουργίας μιας γεννήτριας MHD, όπως μια συμβατική γεννήτρια μηχανών, βασίζεται στο φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, δηλαδή στην εμφάνιση ρεύματος σε μια διέλευση αγωγού γραμμές δύναμηςμαγνητικό πεδίο. Σε αντίθεση με τις γεννήτριες μηχανών, ο αγωγός στη γεννήτρια MHD είναι το ίδιο το υγρό εργασίας.

Το σώμα εργασίας κινείται κατά μήκος του μαγνητικού πεδίου και υπό τη δράση του μαγνητικού πεδίου προκύπτουν αντίθετα κατευθυνόμενες ροές φορέων φορτίου αντίθετων σημάτων.

Η δύναμη Lorentz δρα σε ένα φορτισμένο σωματίδιο.

Τα ακόλουθα μέσα μπορούν να χρησιμεύσουν ως το σώμα εργασίας της γεννήτριας MHD:

· ηλεκτρολύτες;

υγρά μέταλλα?

πλάσμα (ιονισμένο αέριο).

Οι πρώτες γεννήτριες MHD χρησιμοποιούσαν ηλεκτρικά αγώγιμα υγρά (ηλεκτρολύτες) ως ρευστό εργασίας. Επί του παρόντος, χρησιμοποιείται πλάσμα, στο οποίο φορείς φορτίου είναι κυρίως ελεύθερα ηλεκτρόνια και θετικά ιόντα. Υπό την επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου, οι φορείς φορτίου αποκλίνουν από την τροχιά κατά την οποία θα κινούνταν το αέριο απουσία πεδίου. Σε αυτή την περίπτωση, σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, μπορεί να προκύψει ένα πεδίο Hall (δείτε το φαινόμενο Hall) - ένα ηλεκτρικό πεδίο που σχηματίζεται ως αποτέλεσμα συγκρούσεων και μετατοπίσεων φορτισμένων σωματιδίων σε επίπεδο κάθετο στο μαγνητικό πεδίο.

1,4 Κυκλότρον

Το κυκλοτρόνιο είναι ένας συντονισμένος κυκλικός επιταχυντής μη σχετικιστικών βαρέων φορτισμένων σωματιδίων (πρωτόνια, ιόντα), στον οποίο τα σωματίδια κινούνται σε ένα σταθερό και ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο και ένα ηλεκτρικό πεδίο υψηλής συχνότητας σταθερής συχνότητας χρησιμοποιείται για την επιτάχυνσή τους.

Το σχήμα της συσκευής cyclotron φαίνεται στο Σχ.3. Βαριά φορτισμένα σωματίδια (πρωτόνια, ιόντα) εισέρχονται στον θάλαμο από έναν εγχυτήρα κοντά στο κέντρο του θαλάμου και επιταχύνονται από ένα εναλλασσόμενο πεδίο σταθερής συχνότητας που εφαρμόζεται στα ηλεκτρόδια επιτάχυνσης (υπάρχουν δύο από αυτά και ονομάζονται dees). Τα σωματίδια με φορτίο Ze και μάζα m κινούνται σε ένα σταθερό μαγνητικό πεδίο ισχύος Β, που κατευθύνεται κάθετα στο επίπεδο κίνησης των σωματιδίων, κατά μήκος μιας σπείρας που ξετυλίγεται. Η ακτίνα R της τροχιάς ενός σωματιδίου με ταχύτητα v καθορίζεται από τον τύπο

όπου γ = -1/2 είναι ο σχετικιστικός παράγοντας.

Σε ένα κυκλότρον για ένα μη σχετικιστικό (γ ≈ 1) σωματίδιο σε σταθερό και ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο, η ακτίνα της τροχιάς είναι ανάλογη με την ταχύτητα (1) και η συχνότητα περιστροφής ενός μη σχετικιστικού σωματιδίου (η συχνότητα του κυκλοτρονίου δεν εξαρτάται από την ενέργεια του σωματιδίου

E = mv 2 /2 = (Ze) 2 B 2 R 2 /(2m) (3)

Στο κενό μεταξύ των φύλλων, τα σωματίδια επιταχύνονται από ένα παλμικό ηλεκτρικό πεδίο (δεν υπάρχει ηλεκτρικό πεδίο μέσα στις κοίλες μεταλλικές ίνες). Ως αποτέλεσμα, η ενέργεια και η ακτίνα της τροχιάς αυξάνονται. Επαναλαμβάνοντας την επιτάχυνση από το ηλεκτρικό πεδίο σε κάθε περιστροφή, η ενέργεια και η ακτίνα της τροχιάς φέρονται στο μέγιστο επιτρεπόμενες τιμές. Στην περίπτωση αυτή, τα σωματίδια αποκτούν την ταχύτητα v = ZeBR/m και την ενέργεια που αντιστοιχεί σε αυτήν:

Στην τελευταία στροφή της έλικας, ένα ηλεκτρικό πεδίο εκτροπής ενεργοποιείται, φέρνοντας τη δέσμη προς τα έξω. Η σταθερότητα του μαγνητικού πεδίου και η συχνότητα του επιταχυνόμενου πεδίου καθιστούν δυνατή τη συνεχή επιτάχυνση. Ενώ μερικά σωματίδια κινούνται κατά μήκος των εξωτερικών στροφών της σπείρας, άλλα βρίσκονται στη μέση του μονοπατιού και άλλα μόλις αρχίζουν να κινούνται.

Το μειονέκτημα του κυκλοτρονίου είναι ο περιορισμός από ουσιαστικά μη σχετικιστικές ενέργειες σωματιδίων, αφού ακόμη και οι όχι πολύ μεγάλες σχετικιστικές διορθώσεις (αποκλίσεις του γ από τη μονάδα) παραβιάζουν τον συγχρονισμό της επιτάχυνσης σε διαφορετικές στροφές και τα σωματίδια με σημαντικά αυξημένες ενέργειες δεν έχουν πλέον χρόνο να γίνουν στο διάκενο μεταξύ των δεών στη φάση του ηλεκτρικού πεδίου που είναι απαραίτητο για την επιτάχυνση . Στα συμβατικά κυκλοτρόνια, τα πρωτόνια μπορούν να επιταχυνθούν έως και 20-25 MeV.

Για την επιτάχυνση βαρέων σωματιδίων στη λειτουργία μιας σπείρας ξετύλιξης σε ενέργειες δεκάδες φορές υψηλότερες (έως 1000 MeV), χρησιμοποιείται μια τροποποίηση του κυκλοτρονίου, που ονομάζεται ισόχρονος(σχετικιστικό) κυκλότρον, καθώς και ένα φασοτρόνιο. Στα ισόχρονα κυκλοτρόνια, τα σχετικιστικά φαινόμενα αντισταθμίζονται από μια ακτινική αύξηση του μαγνητικού πεδίου.

συμπέρασμα

Κρυφό κείμενο

Γραπτό συμπέρασμα (το πιο βασικό για όλες τις υποπαραγράφους της πρώτης ενότητας - αρχές λειτουργίας, ορισμοί)

Κατάλογος χρησιμοποιημένης βιβλιογραφίας

1. Wikipedia [Ηλεκτρονικός πόρος]: Δύναμη Lorentz. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Lorenz_force

2. Wikipedia [Ηλεκτρονικός πόρος]: Μαγνητοϋδροδυναμική γεννήτρια. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Magnetohydrodynamic_generator

3. Wikipedia [Ηλεκτρονικός πόρος]: Συσκευές δέσμης ηλεκτρονίων. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Electron-beam_devices

4. Wikipedia [Ηλεκτρονικός πόρος]: Φασματομετρία μάζας. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Φασματομετρία μάζας

5. Πυρηνική φυσικήστο Διαδίκτυο [Ηλεκτρονικός πόρος]: Cyclotron. URL: http://nuclphys.sinp.msu.ru/experiment/accelerators/ciclotron.htm

6. Ηλεκτρονικό εγχειρίδιο φυσικής [Ηλεκτρονικός πόρος]: Τ. Εφαρμογές της δύναμης Lorentz // URL: http://www.physbook.ru/index.php/ T._Application_of_Lorentz_force

7. Ακαδημαϊκός [Ηλεκτρονικός πόρος]: Magnetohydrodynamic generator// URL: http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/MAGNETOHYDRODYNAMIC

©2015-2019 ιστότοπος
Όλα τα δικαιώματα ανήκουν στους δημιουργούς τους. Αυτός ο ιστότοπος δεν διεκδικεί την πνευματική ιδιοκτησία, αλλά παρέχει δωρεάν χρήση.
Ημερομηνία δημιουργίας σελίδας: 31-03-2017

Ισχύς ενισχυτή, που ενεργεί σε τμήμα του αγωγού μήκους Δ μεγάλομε ρεύμα Εγώβρίσκεται σε μαγνητικό πεδίο σι,

Η έκφραση για τη δύναμη Ampere μπορεί να γραφτεί ως:

Αυτή η δύναμη ονομάζεται Δύναμη Lorentz . Γωνία α σε αυτή την έκφραση ίσο με τη γωνίαμεταξύ ταχύτητας και διάνυσμα μαγνητικής επαγωγήςΗ κατεύθυνση της δύναμης Lorentz που ενεργεί σε ένα θετικά φορτισμένο σωματίδιο, καθώς και η κατεύθυνση της δύναμης Ampère, μπορούν να βρεθούν από κανόνας του αριστερού χεριούή από κανόνας του gimlet. Η αμοιβαία διάταξη των διανυσμάτων και για ένα θετικά φορτισμένο σωματίδιο φαίνεται στο Σχ. 1.18.1.

Εικόνα 1.18.1.

Η αμοιβαία διάταξη των διανυσμάτων και η μονάδα δύναμης Lorentz είναι αριθμητικά ίση με την περιοχή του παραλληλογράμμου που βασίζεται στα διανύσματα και πολλαπλασιάζεται με το φορτίο q

Η δύναμη Lorentz κατευθύνεται κάθετα στα διανύσματα και

Όταν ένα φορτισμένο σωματίδιο κινείται σε ένα μαγνητικό πεδίο, η δύναμη Lorentz δεν λειτουργεί.Επομένως, το μέτρο του διανύσματος ταχύτητας δεν αλλάζει όταν το σωματίδιο κινείται.

Εάν ένα φορτισμένο σωματίδιο κινείται σε ένα ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο υπό τη δράση της δύναμης Lorentz, και η ταχύτητά του βρίσκεται σε ένα επίπεδο κάθετο στο διάνυσμα, τότε το σωματίδιο θα κινηθεί κατά μήκος ενός κύκλου ακτίνας

Η περίοδος περιστροφής ενός σωματιδίου σε ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο είναι

που ονομάζεται συχνότητα κυκλοτρονίων . Η συχνότητα του κυκλοτρονίου δεν εξαρτάται από την ταχύτητα (και επομένως και από την κινητική ενέργεια) του σωματιδίου. Το γεγονός αυτό χρησιμοποιείται σε κυκλοτρόνια – επιταχυντές βαρέων σωματιδίων (πρωτόνια, ιόντα). Το σχηματικό διάγραμμα του κυκλοτρονίου φαίνεται στο σχ. 1.18.3.

Ένας θάλαμος κενού τοποθετείται ανάμεσα στους πόλους ενός ισχυρού ηλεκτρομαγνήτη, στον οποίο υπάρχουν δύο ηλεκτρόδια με τη μορφή κοίλων μεταλλικών ημικύλινδρων ( πράξεις ). Εφαρμόζεται εναλλασσόμενη ηλεκτρική τάση στους δείκτες, του οποίου η συχνότητα είναι ίση με τη συχνότητα του κυκλοτρονίου. Τα φορτισμένα σωματίδια εγχέονται στο κέντρο του θαλάμου κενού. Τα σωματίδια επιταχύνονται από ένα ηλεκτρικό πεδίο στο κενό μεταξύ των φύλλων. Στο εσωτερικό των μορίων, τα σωματίδια κινούνται υπό τη δράση της δύναμης Lorentz κατά μήκος ημικυκλίων, η ακτίνα των οποίων αυξάνεται όσο αυξάνεται η ενέργεια των σωματιδίων. Κάθε φορά που ένα σωματίδιο διέρχεται από το κενό μεταξύ των άκρων, επιταχύνεται από το ηλεκτρικό πεδίο. Έτσι, σε ένα κυκλότρον, όπως και σε όλους τους άλλους επιταχυντές, ένα φορτισμένο σωματίδιο επιταχύνεται από ένα ηλεκτρικό πεδίο και διατηρείται σε τροχιά από ένα μαγνητικό πεδίο. Τα κυκλοτρόνια καθιστούν δυνατή την επιτάχυνση των πρωτονίων σε ενέργεια της τάξης των 20 MeV.

Τα ομοιόμορφα μαγνητικά πεδία χρησιμοποιούνται σε πολλές συσκευές και, ειδικότερα, σε φασματόμετρα μάζας - συσκευές με τις οποίες μπορείτε να μετρήσετε τις μάζες των φορτισμένων σωματιδίων - ιόντων ή πυρήνων διαφόρων ατόμων. Για τον διαχωρισμό χρησιμοποιούνται φασματόμετρα μάζας ισότοπα, δηλαδή οι πυρήνες των ατόμων με το ίδιο φορτίο, αλλά διαφορετικές μάζες(για παράδειγμα, 20 Ne και 22 Ne). Το απλούστερο φασματόμετρο μάζας φαίνεται στο Σχ. 1.18.4. Ιόντα που εκπέμπονται από την πηγή μικρό, περάστε από πολλές μικρές τρύπες που σχηματίζουν ένα στενό δοκάρι. Μετά μπαίνουν μέσα επιλογέας ταχύτητας , στο οποίο κινούνται τα σωματίδια διέσχισαν ομοιόμορφα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία. Ένα ηλεκτρικό πεδίο δημιουργείται μεταξύ των πλακών ενός επίπεδου πυκνωτή, ένα μαγνητικό πεδίο δημιουργείται στο κενό μεταξύ των πόλων ενός ηλεκτρομαγνήτη. Η αρχική ταχύτητα των φορτισμένων σωματιδίων κατευθύνεται κάθετα στα διανύσματα και

Ένα σωματίδιο που κινείται σε διασταυρωμένα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία υπόκειται σε ηλεκτρική δύναμη και Μαγνητική δύναμη Lorentz. Δεδομένου ότι μι = υ σιαυτές οι δυνάμεις ισορροπούν ακριβώς η μία την άλλη. Εάν πληρούται αυτή η προϋπόθεση, το σωματίδιο θα κινηθεί ομοιόμορφα και σε ευθεία γραμμή και, έχοντας πετάξει μέσα από τον πυκνωτή, θα περάσει από την τρύπα στην οθόνη. Για δεδομένες τιμές των ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων, ο επιλογέας θα επιλέξει σωματίδια που κινούνται με ταχύτητα υ = μι / σι.

Στη συνέχεια, σωματίδια με την ίδια ταχύτητα εισέρχονται στον θάλαμο του φασματόμετρου μάζας, στον οποίο δημιουργείται ένα ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο.Τα σωματίδια κινούνται στον θάλαμο σε επίπεδο κάθετο στο μαγνητικό πεδίο, υπό την επίδραση της δύναμης Lorentz. Οι τροχιές των σωματιδίων είναι κύκλοι ακτίνων R = Μυ / qB". Μετρώντας τις ακτίνες των τροχιών για γνωστές τιμές του υ και ΣΙ"η σχέση μπορεί να οριστεί q / Μ. Στην περίπτωση των ισοτόπων ( q 1 = q 2) ένα φασματόμετρο μάζας σάς επιτρέπει να διαχωρίζετε σωματίδια με διαφορετικές μάζες.

Τα σύγχρονα φασματόμετρα μάζας καθιστούν δυνατή τη μέτρηση των μαζών των φορτισμένων σωματιδίων με ακρίβεια μεγαλύτερη από 10–4.

Εάν η ταχύτητα ενός σωματιδίου έχει μια συνιστώσα κατά την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου, τότε ένα τέτοιο σωματίδιο θα κινηθεί σε ένα ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο σε μια σπείρα. Σε αυτή την περίπτωση, η ακτίνα της σπείρας Rεξαρτάται από το μέτρο της συνιστώσας υ ┴ του διανύσματος κάθετου στο μαγνητικό πεδίο και το βήμα της έλικας Π– επί του συντελεστή της διαμήκους συνιστώσας υ || (Εικ. 1.18.5).

Έτσι, η τροχιά ενός φορτισμένου σωματιδίου, όπως ήταν, περιστρέφεται γύρω από τις γραμμές μαγνητικής επαγωγής. Αυτό το φαινόμενο χρησιμοποιείται στην τεχνολογία για μαγνητική θερμομόνωση πλάσματος υψηλής θερμοκρασίας, δηλαδή ένα πλήρως ιονισμένο αέριο σε θερμοκρασία περίπου 10 6 Κ. Μια ουσία σε αυτή την κατάσταση λαμβάνεται σε εγκαταστάσεις τύπου "Tokamak" κατά τη μελέτη ελεγχόμενων θερμοπυρηνικών αντιδράσεων. Το πλάσμα δεν πρέπει να έρχεται σε επαφή με τα τοιχώματα του θαλάμου. Η θερμομόνωση επιτυγχάνεται με τη δημιουργία μαγνητικού πεδίου ειδικής διαμόρφωσης. Για παράδειγμα, στο σχ. Το 1.18.6 δείχνει την τροχιά ενός φορτισμένου σωματιδίου μέσα μαγνητικό μπουκάλι(ή παγιδευμένος ).

Ένα παρόμοιο φαινόμενο συμβαίνει στο μαγνητικό πεδίο της Γης, το οποίο αποτελεί προστασία για όλα τα έμβια όντα από ρεύματα φορτισμένων σωματιδίων από το διάστημα. Τα γρήγορα φορτισμένα σωματίδια από το διάστημα (κυρίως από τον Ήλιο) «συλλαμβάνονται» από το μαγνητικό πεδίο της Γης και σχηματίζουν το λεγόμενο ζώνες ακτινοβολίας (Εικ. 1.18.7), όπου τα σωματίδια, όπως στις μαγνητικές παγίδες, κινούνται εμπρός και πίσω κατά μήκος σπειροειδών τροχιών μεταξύ του βόρειου και του νότιου μαγνητικού πόλου σε χρόνους της τάξης των κλασμάτων του δευτερολέπτου. Μόνο στις πολικές περιοχές κάποια από τα σωματίδια εισβάλλουν στην ανώτερη ατμόσφαιρα, προκαλώντας σέλας. Οι ζώνες ακτινοβολίας της Γης εκτείνονται από αποστάσεις της τάξης των 500 km έως δεκάδες ακτίνες της Γης. Θα πρέπει να θυμόμαστε ότι ο νότιος μαγνητικός πόλος της Γης βρίσκεται κοντά στον βόρειο γεωγραφικό πόλο (στα βορειοδυτικά της Γροιλανδίας). Η φύση του επίγειου μαγνητισμού δεν έχει ακόμη μελετηθεί.

Ερωτήσεις ελέγχου

1. Περιγράψτε τα πειράματα των Oersted και Ampère.

2. Ποια είναι η πηγή του μαγνητικού πεδίου;

3. Ποια είναι η υπόθεση του Ampère που εξηγεί την ύπαρξη ενός μαγνητικού πεδίου ενός μόνιμου μαγνήτη;

4. Ποια είναι η θεμελιώδης διαφορά μεταξύ ενός μαγνητικού πεδίου και ενός ηλεκτρικού;

5. Διατυπώστε τον ορισμό του διανύσματος μαγνητικής επαγωγής.

6. Γιατί το μαγνητικό πεδίο ονομάζεται δίνη;

7. Διατυπώστε νόμους:

Α) Αμπέρ;

Β) Bio-Savart-Laplace.

8. Ποια είναι η απόλυτη τιμή του διανύσματος μαγνητικής επαγωγής του πεδίου συνεχούς ρεύματος;

9. Διατυπώστε τον ορισμό της μονάδας ισχύος ρεύματος (αμπέρ) στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων.

10. Γράψτε τους τύπους που εκφράζουν την τιμή:

Α) τη μονάδα του διανύσματος μαγνητικής επαγωγής.

Β) Οι δυνάμεις του Ampere.

Β) Δυνάμεις Lorentz.

Δ) την περίοδο περιστροφής ενός σωματιδίου σε ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο.

Ε) την ακτίνα καμπυλότητας του κύκλου, όταν ένα φορτισμένο σωματίδιο κινείται σε ένα μαγνητικό πεδίο.

Τεστ για αυτοέλεγχο

Τι παρατηρήθηκε στο πείραμα του Oersted;

1) Αλληλεπίδραση δύο παράλληλων αγωγών με ρεύμα.

2) Αλληλεπίδραση δύο μαγνητικών βελόνων

3) Περιστροφή της μαγνητικής βελόνας κοντά στον αγωγό όταν διέρχεται ρεύμα από αυτόν.

4) Ανάδυση ηλεκτρικό ρεύμαστο πηνίο pnri σπρώχνοντας έναν μαγνήτη μέσα του.

Πώς αλληλεπιδρούν δύο παράλληλοι αγωγοί αν διέρχονται ρεύματα από αυτούς προς την ίδια κατεύθυνση;

Ελκύονται?

αποκρούω;

Η δύναμη και η ροπή των δυνάμεων είναι ίσες με μηδέν.

Η δύναμη είναι μηδέν, αλλά η ροπή δεν είναι μηδενική.

Ποιος τύπος καθορίζει την έκφραση για το μέτρο δύναμης Ampere;

Ποιος τύπος καθορίζει την έκφραση του συντελεστή δύναμης Lorentz;

ΣΙ)

ΣΕ)

ΣΟΛ)

0,6 Ν; 2) 1 N; 3) 1,4 Ν; 4) 2,4 N.

1) 0,5 Τ; 2) 1 T; 3) 2 Τ; 4) 0,8 Τ .

Ένα ηλεκτρόνιο με ταχύτητα V πετάει σε μαγνητικό πεδίο με μέτρο επαγωγής Β κάθετο στις μαγνητικές γραμμές. Ποια έκφραση αντιστοιχεί στην ακτίνα της τροχιάς του ηλεκτρονίου;

Απάντηση: 1)
2)

4)

8. Πώς θα αλλάξει η περίοδος περιστροφής ενός φορτισμένου σωματιδίου σε ένα κυκλοτρόνιο με αύξηση της ταχύτητάς του κατά 2 φορές; (V<< c).

1) θα αυξηθεί κατά 2 φορές. 2) Θα αυξηθεί κατά 2 φορές.

3) Αύξηση κατά 16 φορές. 4) Δεν θα αλλάξει.

9. Ποιος τύπος καθορίζει το μέτρο επαγωγής ενός μαγνητικού πεδίου που δημιουργείται στο κέντρο ενός κυκλικού ρεύματος με ακτίνα κύκλου R;

1)
2)
3)
4)

10. Το ρεύμα στο πηνίο είναι Εγώ. Ποιος από τους τύπους καθορίζει το μέτρο επαγωγής μαγνητικού πεδίου στη μέση ενός πηνίου με μήκος μεγάλο με τον αριθμό των στροφών N ?

1)
2)
3)
4)

Εργαστήριο Αρ.

Προσδιορισμός της οριζόντιας συνιστώσας της επαγωγής του μαγνητικού πεδίου της Γης.

Σύντομη θεωρία για εργαστηριακή εργασία.

Το μαγνητικό πεδίο είναι ένα υλικό μέσο που μεταδίδει τις λεγόμενες μαγνητικές αλληλεπιδράσεις. Το μαγνητικό πεδίο είναι μια από τις εκδηλώσεις του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου.

Οι πηγές των μαγνητικών πεδίων είναι τα κινούμενα ηλεκτρικά φορτία, οι αγωγοί που μεταφέρουν ρεύμα και τα εναλλασσόμενα ηλεκτρικά πεδία. Δημιουργούμενο από κινούμενα φορτία (ρεύματα), το μαγνητικό πεδίο, με τη σειρά του, δρα μόνο στα κινούμενα φορτία (ρεύματα), ενώ δεν έχει επίδραση στα σταθερά φορτία.

Το κύριο χαρακτηριστικό του μαγνητικού πεδίου είναι το διάνυσμα μαγνητικής επαγωγής :

Το μέτρο του διανύσματος μαγνητικής επαγωγής είναι αριθμητικά ίσο με τη μέγιστη δύναμη που ασκείται από την πλευρά του μαγνητικού πεδίου σε έναν αγωγό μοναδιαίου μήκους, μέσω του οποίου ρέει ρεύμα μοναδιαίας ισχύος. Διάνυσμα σχηματίζει ένα δεξιό τριπλό με το διάνυσμα της δύναμης και την κατεύθυνση του ρεύματος. Έτσι, η μαγνητική επαγωγή είναι το χαρακτηριστικό ισχύος ενός μαγνητικού πεδίου.

Η μονάδα SI μαγνητικής επαγωγής είναι ο Tesla (T).

Οι δυναμικές γραμμές ενός μαγνητικού πεδίου ονομάζονται νοητές γραμμές, σε κάθε σημείο των οποίων οι εφαπτομένες συμπίπτουν με την κατεύθυνση του διανύσματος μαγνητικής επαγωγής. Οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου είναι πάντα κλειστές, δεν τέμνονται ποτέ.

Ο νόμος του Αμπέρ καθορίζει τη δράση της δύναμης ενός μαγνητικού πεδίου σε έναν αγωγό που μεταφέρει ρεύμα.

Αν σε μαγνητικό πεδίο με επαγωγή Τοποθέτησε έναν αγωγό που μεταφέρει ρεύμα και μετά σε κάθε στοιχείο κατευθυνόμενου ρεύματος αγωγός, δρα η δύναμη Ampère, που καθορίζεται από τη σχέση

Η κατεύθυνση της δύναμης Ampère συμπίπτει με την κατεύθυνση του εγκάρσιου γινομένου
, εκείνοι. είναι κάθετο στο επίπεδο στο οποίο βρίσκονται τα διανύσματα Και (Εικ. 1).

Ρύζι. 1. Για να προσδιορίσετε την κατεύθυνση της δύναμης Ampère

Αν κάθετος , τότε η κατεύθυνση της δύναμης Ampere μπορεί να προσδιοριστεί από τον κανόνα του αριστερού χεριού: κατευθύνετε τέσσερα τεντωμένα δάχτυλα κατά μήκος του ρεύματος, τοποθετήστε την παλάμη κάθετα στις γραμμές δύναμης, τότε ο αντίχειρας θα δείξει την κατεύθυνση της δύναμης Ampere. Ο νόμος του Αμπέρ είναι η βάση για τον ορισμό της μαγνητικής επαγωγής, δηλ. Η σχέση (1) προκύπτει από τον τύπο (2) γραμμένο σε βαθμωτή μορφή.

Η δύναμη Lorentz είναι η δύναμη με την οποία ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο δρα σε ένα φορτισμένο σωματίδιο που κινείται σε αυτό το πεδίο. Ο τύπος δύναμης Lorentz ελήφθη για πρώτη φορά από τον G. Lorentz ως αποτέλεσμα της γενίκευσης της εμπειρίας και έχει τη μορφή:

Οπου
είναι η δύναμη που ασκείται σε ένα φορτισμένο σωματίδιο σε ένα ηλεκτρικό πεδίο με ένταση ;
– δύναμη που επενεργεί σε ένα φορτισμένο σωματίδιο σε ένα μαγνητικό πεδίο.

Ο τύπος για τη μαγνητική συνιστώσα της δύναμης Lorentz μπορεί να ληφθεί από το νόμο του Ampere, δεδομένου ότι το ρεύμα είναι μια διατεταγμένη κίνηση ηλεκτρικών φορτίων. Εάν το μαγνητικό πεδίο δεν ενεργούσε σε κινούμενα φορτία, δεν θα είχε επίδραση σε έναν αγωγό που μεταφέρει ρεύμα. Η μαγνητική συνιστώσα της δύναμης Lorentz δίνεται από:

Αυτή η δύναμη κατευθύνεται κάθετα στο επίπεδο στο οποίο βρίσκονται τα διανύσματα της ταχύτητας και επαγωγή μαγνητικού πεδίου ; η κατεύθυνση του συμπίπτει με την κατεύθυνση του διανυσματικού γινομένου
Για q > 0 και με κατεύθυνση
Για q>0 (Εικ. 2).

Ρύζι. 2. Να προσδιοριστεί η κατεύθυνση της μαγνητικής συνιστώσας της δύναμης Lorentz

Αν το διάνυσμα κάθετο στο διάνυσμα , τότε η κατεύθυνση της μαγνητικής συνιστώσας της δύναμης Lorentz για θετικά φορτισμένα σωματίδια μπορεί να βρεθεί από τον κανόνα του αριστερού χεριού και για τα αρνητικά φορτισμένα σωματίδια από τον κανόνα δεξί χέρι. Δεδομένου ότι η μαγνητική συνιστώσα της δύναμης Lorentz κατευθύνεται πάντα κάθετα στην ταχύτητα , τότε δεν εκτελεί εργασία για τη μετακίνηση του σωματιδίου. Μπορεί να αλλάξει μόνο την κατεύθυνση της ταχύτητας , κάμψτε την τροχιά του σωματιδίου, δηλ. λειτουργούν ως κεντρομόλος δύναμη.

Ο νόμος Biot-Savart-Laplace χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό των μαγνητικών πεδίων (ορισμοί ) που δημιουργούνται από αγωγούς με ρεύμα.

Σύμφωνα με το νόμο Biot-Savart-Laplace, κάθε στοιχείο ενός αγωγού που κατευθύνεται από το ρεύμα δημιουργεί σε ένα σημείο σε απόσταση από αυτό το στοιχείο, το μαγνητικό πεδίο, η επαγωγή του οποίου καθορίζεται από τη σχέση:

Οπου
H/m είναι η μαγνητική σταθερά. µ είναι η μαγνητική διαπερατότητα του μέσου.

Ρύζι. 3. Στο νόμο Biot-Savart-Laplace

Κατεύθυνση
συμπίπτει με την κατεύθυνση του γινομένου του διανύσματος
, δηλ.
κάθετο στο επίπεδο στο οποίο βρίσκονται τα διανύσματα Και . ΤΑΥΤΟΧΡΟΝΑ
είναι μια εφαπτομένη στη γραμμή πεδίου, η κατεύθυνση της οποίας μπορεί να προσδιοριστεί από τον κανόνα του αυλακιού: εάν η μεταφορική κίνηση της άκρης του αυλακιού κατευθύνεται κατά μήκος του ρεύματος, τότε η φορά περιστροφής της λαβής θα καθορίσει την κατεύθυνση της γραμμή μαγνητικού πεδίου (Εικ. 3).

Για να βρείτε το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από ολόκληρο τον αγωγό, πρέπει να εφαρμόσετε την αρχή της υπέρθεσης των πεδίων:

Για παράδειγμα, ας υπολογίσουμε τη μαγνητική επαγωγή στο κέντρο του κυκλικού ρεύματος (Εικ. 4).

Ρύζι. 4. Στον υπολογισμό του πεδίου στο κέντρο του κυκλικού ρεύματος

Για κυκλικό ρεύμα
Και
, οπότε η σχέση (5) σε βαθμωτή μορφή έχει τη μορφή:

Ο νόμος του πλήρους ρεύματος (θεώρημα της κυκλοφορίας της μαγνητικής επαγωγής) είναι ένας άλλος νόμος για τον υπολογισμό των μαγνητικών πεδίων.

Ο συνολικός τρέχων νόμος για ένα μαγνητικό πεδίο στο κενό έχει τη μορφή:

Οπου σι μεγάλο – προβολή στο στοιχείο του αγωγού κατευθύνεται από το ρεύμα.

Η κυκλοφορία του διανύσματος μαγνητικής επαγωγής κατά μήκος οποιουδήποτε κλειστού κυκλώματος είναι ίση με το γινόμενο της μαγνητικής σταθεράς και του αλγεβρικού αθροίσματος των ρευμάτων που καλύπτονται από αυτό το κύκλωμα.

Το θεώρημα Ostrogradsky-Gauss για ένα μαγνητικό πεδίο έχει ως εξής:

Οπου σι n – διανυσματική προβολή στο κανονικό στον ιστότοπο dS.

Η ροή του διανύσματος μαγνητικής επαγωγής μέσω μιας αυθαίρετης κλειστής επιφάνειας είναι ίση με μηδέν.

Η φύση του μαγνητικού πεδίου προκύπτει από τους τύπους (9), (10).

Η προϋπόθεση για τη δυνατότητα του ηλεκτρικού πεδίου είναι η ισότητα προς το μηδέν της κυκλοφορίας του διανύσματος έντασης
.

Το δυναμικό ηλεκτρικό πεδίο δημιουργείται από ακίνητα ηλεκτρικά φορτία. Οι γραμμές πεδίου δεν είναι κλειστές, ξεκινούν με θετικά φορτία και τελειώνουν σε αρνητικά.

Από τον τύπο (9) βλέπουμε ότι σε ένα μαγνητικό πεδίο η κυκλοφορία του διανύσματος μαγνητικής επαγωγής είναι μη μηδενική, επομένως, το μαγνητικό πεδίο δεν είναι δυναμικό.

Από τη σχέση (10) προκύπτει ότι δεν υπάρχουν μαγνητικά φορτία ικανά να δημιουργήσουν δυνητικά μαγνητικά πεδία. (Στην ηλεκτροστατική, ένα παρόμοιο θεώρημα σιγοκαίει της μορφής
.

Οι μαγνητικές γραμμές δύναμης κλείνουν στον εαυτό τους. Ένα τέτοιο πεδίο ονομάζεται πεδίο στροβιλισμού. Έτσι, το μαγνητικό πεδίο είναι ένα πεδίο δίνης. Η κατεύθυνση των γραμμών πεδίου καθορίζεται από τον κανόνα gimlet. Σε έναν ευθύγραμμο άπειρο μακρύ αγωγό με ρεύμα, οι γραμμές δύναμης έχουν τη μορφή ομόκεντρων κύκλων που καλύπτουν τον αγωγό (Εικ. 3).

Γιατί η ιστορία προσθέτει μερικούς επιστήμονες στις σελίδες της με χρυσά γράμματα, ενώ άλλοι σβήνονται χωρίς ίχνος; Ο καθένας που έρχεται στην επιστήμη είναι υποχρεωμένος να αφήσει το στίγμα του σε αυτήν. Από το μέγεθος και το βάθος αυτού του ίχνους κρίνει η ιστορία. Έτσι, ο Ampere και ο Lorentz συνέβαλαν ανεκτίμητη στην ανάπτυξη της φυσικής, η οποία κατέστησε δυνατή όχι μόνο την ανάπτυξη επιστημονικές θεωρίες, αλλά έχει αποκτήσει σημαντική πρακτική αξία. Πώς προέκυψε ο τηλέγραφος; Τι είναι οι ηλεκτρομαγνήτες; Όλες αυτές οι ερωτήσεις θα απαντηθούν στο σημερινό μάθημα.

Για την επιστήμη, η γνώση που αποκτάται έχει μεγάλη αξία, η οποία μπορεί αργότερα να βρει τη δική της πρακτική χρήση. Οι νέες ανακαλύψεις όχι μόνο διευρύνουν τους ερευνητικούς ορίζοντες, αλλά εγείρουν και νέα ερωτήματα και προβλήματα.

Ας ξεχωρίσουμε το βασικό Οι ανακαλύψεις του Ampere στον τομέα του ηλεκτρομαγνητισμού.

Πρώτον, είναι η αλληλεπίδραση των αγωγών με το ρεύμα. Δύο παράλληλοι αγωγοί με ρεύματα έλκονται μεταξύ τους εάν τα ρεύματα σε αυτούς είναι συν-κατευθυνόμενα και απωθούνται εάν τα ρεύματα σε αυτούς κατευθύνονται αντίθετα (Εικ. 1).

Ρύζι. 1. Αγωγοί με ρεύμα

Ο νόμος του Αμπέρ διαβάζει:

Η δύναμη αλληλεπίδρασης μεταξύ δύο παράλληλων αγωγών είναι ανάλογη με το γινόμενο των ρευμάτων στους αγωγούς, ανάλογη με το μήκος αυτών των αγωγών και αντιστρόφως ανάλογη με την απόσταση μεταξύ τους.

Δύναμη αλληλεπίδρασης δύο παράλληλων αγωγών,

Το μέγεθος των ρευμάτων στους αγωγούς,

− μήκος αγωγών,

Απόσταση μεταξύ αγωγών,

Μαγνητική σταθερά.

Η ανακάλυψη αυτού του νόμου κατέστησε δυνατή την εισαγωγή στις μονάδες μέτρησης του μεγέθους της έντασης του ρεύματος, το οποίο δεν υπήρχε μέχρι εκείνη τη στιγμή. Έτσι, εάν προχωρήσουμε από τον ορισμό της ισχύος ρεύματος ως ο λόγος της ποσότητας φορτίου που μεταφέρεται μέσω της διατομής του αγωγού ανά μονάδα χρόνου, τότε θα λάβουμε μια βασικά μη μετρήσιμη τιμή, δηλαδή την ποσότητα φορτίου που μεταφέρεται μέσω της διατομής του μαέστρου. Με βάση αυτόν τον ορισμό, δεν θα μπορέσουμε να εισαγάγουμε μια μονάδα ισχύος ρεύματος. Ο νόμος του Ampère σάς επιτρέπει να δημιουργήσετε μια σχέση μεταξύ των μεγεθών της ισχύος ρεύματος σε αγωγούς και των ποσοτήτων που μπορούν να μετρηθούν εμπειρικά: μηχανική δύναμη και απόσταση. Έτσι, ήταν δυνατό να ληφθεί υπόψη η μονάδα ισχύος ρεύματος - 1 A (1 ampere).

Ρεύμα ενός αμπέρ - αυτό είναι ένα τέτοιο ρεύμα στο οποίο δύο ομοιογενείς παράλληλοι αγωγοί που βρίσκονται στο κενό σε απόσταση ενός μέτρου ο ένας από τον άλλο αλληλεπιδρούν με τη δύναμη του Νεύτωνα.

Νόμος αλληλεπίδρασης ρευμάτων - δύο παράλληλοι αγωγοί σε κενό, οι διάμετροι των οποίων είναι πολύ μικρότερες από τις μεταξύ τους αποστάσεις, αλληλεπιδρούν με μια δύναμη που είναι ευθέως ανάλογη με το γινόμενο των ρευμάτων σε αυτούς τους αγωγούς και αντιστρόφως ανάλογη με την απόσταση μεταξύ τους.

Μια άλλη ανακάλυψη του Ampère είναι ο νόμος της δράσης ενός μαγνητικού πεδίου σε έναν αγωγό που μεταφέρει ρεύμα. Εκφράζεται κυρίως στη δράση ενός μαγνητικού πεδίου σε ένα πηνίο ή βρόχο με ρεύμα. Έτσι, ένα πηνίο που μεταφέρει ρεύμα σε ένα μαγνητικό πεδίο επηρεάζεται από μια ροπή δύναμης που τείνει να στρέψει αυτό το πηνίο με τέτοιο τρόπο ώστε το επίπεδό του να γίνει κάθετο στις γραμμές του μαγνητικού πεδίου. Η γωνία περιστροφής του πηνίου είναι ευθέως ανάλογη με το μέγεθος του ρεύματος στο πηνίο. Εάν το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο στο πηνίο είναι σταθερό, τότε σταθερή τιμή είναι και η τιμή του συντελεστή μαγνητικής επαγωγής. Η περιοχή του πηνίου σε όχι πολύ υψηλά ρεύματα μπορεί επίσης να θεωρηθεί σταθερή, επομένως, είναι αλήθεια ότι η ισχύς του ρεύματος είναι ίση με το γινόμενο της στιγμής των δυνάμεων που περιστρέφουν το πηνίο με ρεύμα κατά κάποια σταθερή τιμή υπό αμετάβλητες συνθήκες .

- τρέχουσα ισχύς,

- τη στιγμή των δυνάμεων που περιστρέφουν το πηνίο με ρεύμα.

Κατά συνέπεια, καθίσταται δυνατή η μέτρηση της ισχύος ρεύματος με τη γωνία περιστροφής του πλαισίου, η οποία εφαρμόζεται στη συσκευή μέτρησης - ένα αμπερόμετρο (Εικ. 2).

Ρύζι. 2. Αμπερόμετρο

Αφού ανακάλυψε τη δράση ενός μαγνητικού πεδίου σε έναν αγωγό που μεταφέρει ρεύμα, ο Ampère συνειδητοποίησε ότι αυτή η ανακάλυψη θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να κάνει έναν αγωγό να κινείται σε ένα μαγνητικό πεδίο. Έτσι, ο μαγνητισμός μπορεί να μετατραπεί σε μηχανική κίνηση - για να δημιουργηθεί ένας κινητήρας. Από τους πρώτους που λειτούργησαν με συνεχές ρεύμα ήταν ένας ηλεκτροκινητήρας (Εικ. 3), που δημιουργήθηκε το 1834 από τον Ρώσο ηλεκτρολόγο μηχανικό B.S. Jacobi.

Ρύζι. 3. Κινητήρας

Εξετάστε ένα απλοποιημένο μοντέλο του κινητήρα, το οποίο αποτελείται από ένα σταθερό μέρος με μαγνήτες συνδεδεμένους σε αυτό - τον στάτορα. Μέσα στον στάτορα, ένα πλαίσιο από αγώγιμο υλικό, που ονομάζεται ρότορας, μπορεί να περιστρέφεται ελεύθερα. Για να περάσει ηλεκτρικό ρεύμα μέσα από το πλαίσιο, συνδέεται με τους ακροδέκτες χρησιμοποιώντας συρόμενες επαφές (Εικ. 4). Εάν συνδέσετε τον κινητήρα σε μια πηγή DC σε ένα κύκλωμα με ένα βολτόμετρο, τότε όταν το κύκλωμα είναι κλειστό, το πλαίσιο με ρεύμα θα αρχίσει να περιστρέφεται.

Ρύζι. 4. Η αρχή λειτουργίας του ηλεκτροκινητήρα

Το 1269, ο Γάλλος φυσιοδίφης Pierre de Maricourt έγραψε ένα έργο με τίτλο «Γράμμα στον μαγνήτη». Ο κύριος στόχος του Pierre de Maricourt ήταν να δημιουργήσει μια μηχανή αέναης κίνησης, στην οποία επρόκειτο να χρησιμοποιήσει καταπληκτικές ιδιότητεςμαγνήτες. Το πόσο επιτυχημένες ήταν οι προσπάθειές του δεν είναι γνωστό, αλλά το σίγουρο είναι ότι ο Jacobi χρησιμοποίησε τον ηλεκτροκινητήρα του για να προωθήσει το σκάφος, ενώ κατάφερε να το διαλύσει με ταχύτητα 4,5 χλμ./ώρα.

Είναι απαραίτητο να αναφέρουμε μια ακόμη συσκευή που λειτουργεί με βάση τους νόμους του Ampère. Το Ampere έδειξε ότι ένα πηνίο που μεταφέρει ρεύμα συμπεριφέρεται όπως μόνιμος μαγνήτης. Αυτό σημαίνει ότι είναι δυνατή η κατασκευή ηλεκτρομαγνήτης- μια συσκευή της οποίας η ισχύς μπορεί να ρυθμιστεί (Εικ. 5).

Ρύζι. 5. Ηλεκτρομαγνήτης

Ήταν ο Ampere που σκέφτηκε ότι συνδυάζοντας αγωγούς και μαγνητικές βελόνες, μπορείτε να δημιουργήσετε μια συσκευή που μεταδίδει πληροφορίες σε απόσταση.

Ρύζι. 6. Ηλεκτρικός τηλέγραφος

Η ιδέα του τηλέγραφου (Εικ. 6) προέκυψε τους πρώτους κιόλας μήνες μετά την ανακάλυψη του ηλεκτρομαγνητισμού.

Ωστόσο, ο ηλεκτρομαγνητικός τηλέγραφος έγινε ευρέως διαδεδομένος αφού ο Samuel Morse δημιούργησε μια πιο βολική συσκευή και, το πιο σημαντικό, ανέπτυξε ένα δυαδικό αλφάβητο που αποτελείται από τελείες και παύλες, το οποίο ονομάζεται κώδικας Morse.

Από την τηλεγραφική συσκευή εκπομπής χρησιμοποιώντας το "κλειδί Morse", το οποίο κλείνει ηλεκτρικό κύκλωμα, σχηματίζονται σύντομα ή μεγάλα ηλεκτρικά σήματα στη γραμμή επικοινωνίας, που αντιστοιχούν στις τελείες ή τις παύλες του κώδικα Μορς. Στην τηλεγραφική συσκευή λήψης (όργανο γραφής), κατά τη διάρκεια της διέλευσης του σήματος (ηλεκτρικό ρεύμα), ο ηλεκτρομαγνήτης έλκει τον οπλισμό, με τον οποίο είναι άκαμπτα συνδεδεμένος ο μεταλλικός τροχός γραφής ή η γραφίδα, που αφήνουν ένα ίχνος μελανιού στη χαρτοταινία ( Εικ. 7).

Ρύζι. 7. Σχήμα του τηλέγραφου

Ο μαθηματικός Gauss, όταν γνώρισε την έρευνα του Ampere, πρότεινε να δημιουργηθεί ένα πρωτότυπο όπλο (Εικ. 8), που δουλεύει πάνω στην αρχή της δράσης ενός μαγνητικού πεδίου σε μια σιδερένια μπάλα - ένα βλήμα.

Ρύζι. 8. Όπλο Gauss

Πρέπει να δοθεί προσοχή σε ποια ιστορική εποχήέγιναν αυτές οι ανακαλύψεις. Στο πρώτο μισό του 19ου αιώνα, η Ευρώπη έκανε άλματα στην πορεία της βιομηχανικής επανάστασης - ήταν μια γόνιμη εποχή για ερευνητικές ανακαλύψεις και ταχεία εφαρμογή τους στην πράξη. Ο Ampère αναμφίβολα συνέβαλε σημαντικά σε αυτή τη διαδικασία, δίνοντας στον πολιτισμό ηλεκτρομαγνήτες, ηλεκτρικούς κινητήρες και τον τηλέγραφο, που εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται ευρέως.

Ας επισημάνουμε τις κύριες ανακαλύψεις του Λόρεντς.

Ο Λόρεντς βρήκε ότι ένα μαγνητικό πεδίο δρα σε ένα σωματίδιο που κινείται μέσα του, αναγκάζοντάς το να κινηθεί κατά μήκος ενός τόξου κύκλου:

Η δύναμη Lorentz είναι μια κεντρομόλος δύναμη κάθετη στην κατεύθυνση της ταχύτητας. Πρώτα απ 'όλα, ο νόμος που ανακάλυψε ο Lorentz καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό ενός τόσο σημαντικού χαρακτηριστικού όπως η αναλογία φορτίου προς μάζα - συγκεκριμένη χρέωση.

Η τιμή του συγκεκριμένου φορτίου είναι μια μοναδική τιμή για κάθε φορτισμένο σωματίδιο, η οποία επιτρέπει την αναγνώρισή τους, είτε πρόκειται για ηλεκτρόνιο, πρωτόνιο ή οποιοδήποτε άλλο σωματίδιο. Έτσι, οι επιστήμονες έλαβαν ένα ισχυρό εργαλείο για έρευνα. Για παράδειγμα, ο Ράδερφορντ κατάφερε να αναλύσει τη ραδιενεργή ακτινοβολία και εντόπισε τα συστατικά της, μεταξύ των οποίων υπάρχουν σωματίδια άλφα - οι πυρήνες του ατόμου ηλίου - και σωματίδια βήτα - ηλεκτρόνια.

Τον εικοστό αιώνα, εμφανίστηκαν επιταχυντές, το έργο των οποίων βασίζεται στο γεγονός ότι τα φορτισμένα σωματίδια επιταχύνονται σε ένα μαγνητικό πεδίο. Το μαγνητικό πεδίο κάμπτει τις τροχιές των σωματιδίων (Εικ. 9). Η κατεύθυνση της κάμψης του ίχνους καθιστά δυνατό να κρίνουμε το σημάδι του φορτίου του σωματιδίου. Με τη μέτρηση της ακτίνας της τροχιάς, μπορεί κανείς να προσδιορίσει την ταχύτητα ενός σωματιδίου εάν η μάζα και το φορτίο του είναι γνωστά.

Ρύζι. 9. Καμπυλότητα της τροχιάς των σωματιδίων σε μαγνητικό πεδίο

Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων αναπτύχθηκε βάσει αυτής της αρχής (Εικ. 10). Χάρη στις ανακαλύψεις του Lorentz, η επιστήμη έλαβε ένα θεμελιωδώς νέο εργαλείο για φυσική έρευνα, ανοίγοντας το δρόμο στον κόσμο των στοιχειωδών σωματιδίων.

Ρύζι. 10. Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων

Για να χαρακτηριστεί η επίδραση του επιστήμονα στα τεχνική πρόοδο, υπενθυμίζουμε ότι από την έκφραση για τη δύναμη Lorentz είναι δυνατός ο υπολογισμός της ακτίνας καμπυλότητας της τροχιάς ενός σωματιδίου που κινείται σε σταθερό μαγνητικό πεδίο. Υπό σταθερές εξωτερικές συνθήκες, αυτή η ακτίνα εξαρτάται από τη μάζα του σωματιδίου, την ταχύτητα και το φορτίο του. Έτσι, έχουμε την ευκαιρία να ταξινομήσουμε τα φορτισμένα σωματίδια σύμφωνα με αυτές τις παραμέτρους και, ως εκ τούτου, μπορούμε να αναλύσουμε οποιοδήποτε μείγμα. Εάν ένα μείγμα ουσιών σε αέρια κατάσταση ιονιστεί, διασκορπιστεί και κατευθυνθεί σε ένα μαγνητικό πεδίο, τότε τα σωματίδια θα αρχίσουν να κινούνται κατά μήκος τόξων κύκλων με διαφορετικές ακτίνες - τα σωματίδια θα φύγουν από το πεδίο σε διαφορετικά σημεία και μένει μόνο να Διορθώστε αυτά τα σημεία αναχώρησης, το οποίο υλοποιείται χρησιμοποιώντας μια οθόνη επικαλυμμένη με φώσφορο, η οποία λάμπει όταν την χτυπούν φορτισμένα σωματίδια. Αυτό ακριβώς είναι το πώς λειτουργεί αναλυτής μάζας(Εικ. 11) . Οι αναλυτές μάζας χρησιμοποιούνται ευρέως στη φυσική και τη χημεία για την ανάλυση της σύνθεσης των μειγμάτων.

Ρύζι. 11. Αναλυτής μάζας

Δεν είναι όλες οι τεχνικές συσκευές που λειτουργούν με βάση τις εξελίξεις και τις ανακαλύψεις των Ampere και Lorenz, επειδή επιστημονική γνώσηαργά ή γρήγορα παύει να είναι αποκλειστική ιδιοκτησία των επιστημόνων και γίνεται ιδιοκτησία του πολιτισμού, ενώ ενσωματώνεται σε διάφορες τεχνικές συσκευές που κάνουν τη ζωή μας πιο άνετη.

Βιβλιογραφία

Kasyanov V.A., Φυσική 11η τάξη: Εγχειρίδιο. για γενική εκπαίδευση ιδρύματα. - 4η έκδ., στερεότυπο. - M.: Bustard, 2004. - 416 σελ.: ill., 8 p. διάσελο. συμπεριλαμβανομένου
Gendenstein L.E., Dick Yu.I., Physics 11. - M .: Mnemosyne.
Tikhomirova S.A., Yarovsky B.M., Physics 11. - M.: Mnemosyne.

Διαδικτυακή πύλη "Chip and Dip" ().
Διαδικτυακή πύλη "Kiev City Library" ().
Διαδικτυακή πύλη "Ινστιτούτο εξ αποστάσεως εκπαίδευσης" ().

Εργασία για το σπίτι

1. Kasyanov V.A., Φυσική 11η τάξη: Σχολικό βιβλίο. για γενική εκπαίδευση ιδρύματα. - 4η έκδ., στερεότυπο. - M.: Bustard, 2004. - 416 σελ.: ill., 8 p. διάσελο. συμπ., Άρθ. 88, γ. 1-5.

2. Σε ένα θάλαμο νέφους, ο οποίος είναι τοποθετημένος σε ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο με επαγωγή 1,5 Τ, ένα σωματίδιο άλφα, που πετάει κάθετα στις γραμμές επαγωγής, αφήνει ένα ίχνος με τη μορφή τόξου κύκλου με ακτίνα των 2,7 εκ. Προσδιορίστε την ορμή και την κινητική ενέργεια του σωματιδίου. Η μάζα του σωματιδίου άλφα είναι 6,7∙10 -27 kg και το φορτίο είναι 3,2∙10 -19 C.

3. Φασματογράφος μάζας. Μια δέσμη ιόντων που επιταχύνεται από μια διαφορά δυναμικού 4 kV πετάει σε ένα ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο με μαγνητική επαγωγή 80 mT κάθετα στις γραμμές μαγνητικής επαγωγής. Η δέσμη αποτελείται από δύο τύπους ιόντων με μοριακά βάρη 0,02 kg/mol και 0,022 kg/mol. Όλα τα ιόντα έχουν φορτίο 1,6 ∙ 10 -19 C. Τα ιόντα πετούν έξω από το πεδίο σε δύο δέσμες (Εικ. 5). Βρείτε την απόσταση μεταξύ των δεσμών ιόντων που εκπέμπονται.

4. * Χρησιμοποιώντας έναν κινητήρα συνεχούς ρεύματος, σηκώστε το φορτίο στο καλώδιο. Εάν ο ηλεκτροκινητήρας αποσυνδεθεί από την πηγή τάσης και ο ρότορας είναι βραχυκυκλωμένος, το φορτίο θα μειωθεί από σταθερή ταχύτητα. Εξηγήστε αυτό το φαινόμενο. Τι μορφή παίρνει η δυναμική ενέργεια του φορτίου;

Για παράδειγμα, η εκτροπή μιας δέσμης ηλεκτρονίων στα κινοσκόπια της τηλεόρασης πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας ένα μαγνητικό πεδίο, το οποίο δημιουργείται από ειδικά πηνία. Σε πολλές ηλεκτρονικές συσκευές, ένα μαγνητικό πεδίο χρησιμοποιείται για την εστίαση δέσμης φορτισμένων σωματιδίων.

Στις πειραματικές εγκαταστάσεις που δημιουργούνται σήμερα για την υλοποίηση μιας ελεγχόμενης θερμοπυρηνικής αντίδρασης, η δράση ενός μαγνητικού πεδίου στο πλάσμα χρησιμοποιείται για να το στρίψει σε ένα καλώδιο που δεν αγγίζει τα τοιχώματα του θαλάμου εργασίας. Η κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων σε έναν κύκλο σε ένα ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο και η ανεξαρτησία της περιόδου αυτής της κίνησης από την ταχύτητα του σωματιδίου χρησιμοποιούνται σε κυκλικούς επιταχυντές φορτισμένων σωματιδίων - κυκλοτρόνια.

Η δράση της δύναμης Lorentz χρησιμοποιείται επίσης σε συσκευές που ονομάζονται φασματογράφοι μάζας, τα οποία έχουν σχεδιαστεί για να διαχωρίζουν τα φορτισμένα σωματίδια σύμφωνα με τα ειδικά φορτία τους.

Το σχήμα του απλούστερου φασματογράφου μάζας φαίνεται στο σχήμα 1.

Στον θάλαμο 1, από τον οποίο εκκενώνεται ο αέρας, υπάρχει μια πηγή ιόντων 3. Ο θάλαμος τοποθετείται σε ένα ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο, σε κάθε σημείο του οποίου η επαγωγή \(~\vec B\) είναι κάθετη στο επίπεδο του σχέδιο και κατευθύνεται προς το μέρος μας (στην Εικόνα 1 αυτό το πεδίο υποδεικνύεται με κύκλους) . Μεταξύ των ηλεκτροδίων A h B εφαρμόζεται μια τάση επιτάχυνσης, υπό την επίδραση της οποίας τα ιόντα που εκπέμπονται από την πηγή επιταχύνονται και εισέρχονται στο μαγνητικό πεδίο με μια ορισμένη ταχύτητα κάθετη στις γραμμές επαγωγής. Κινούμενοι σε ένα μαγνητικό πεδίο κατά μήκος ενός τόξου κύκλου, τα ιόντα πέφτουν στη φωτογραφική πλάκα 2, γεγονός που καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό της ακτίνας Rαυτό το τόξο. Γνωρίζοντας την επαγωγή του μαγνητικού πεδίου ΣΕκαι ταχύτητα υ ιόντων, σύμφωνα με τον τύπο

\(~\frac q m = \frac (v)(RB)\)

Βιβλιογραφία

Aksenovich L. A. Φυσική στο Λύκειο: Θεωρία. Καθήκοντα. Δοκιμές: Proc. επίδομα για ιδρύματα που παρέχουν γενική. περιβάλλοντα, εκπαίδευση / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Εκδ. Κ. Σ. Φαρίνο. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 328.