Siła działająca z zewnątrz pole magnetyczne na poruszającej się elektrycznie naładowanej cząstce.
gdzie q jest ładunkiem cząstki;
V - prędkość ładowania;
a jest kątem między wektorem prędkości ładunku a wektorem indukcji magnetycznej.
Wyznacza się kierunek siły Lorentza zgodnie z regułą lewej ręki:
Jeśli umieścisz lewa ręka tak, że składowa wektora indukcji prostopadła do prędkości wchodzi do dłoni, a cztery palce są umieszczone w kierunku prędkości ruchu ładunku dodatniego (lub przeciwnie do kierunku prędkości ładunek ujemny), a następnie zgięty kciuk wskaże kierunek siły Lorentza:
. 
Ponieważ siła Lorentza jest zawsze prostopadła do prędkości ładowania, nie wykonuje ona pracy (tzn. nie zmienia wartości prędkości ładowania i jej wartości) energia kinetyczna).
Jeżeli naładowana cząstka porusza się równolegle do linii pola magnetycznego, to Fl = 0, a ładunek w polu magnetycznym porusza się równomiernie i prostoliniowo.
Jeśli naładowana cząstka porusza się prostopadle do linii pola magnetycznego, wówczas siła Lorentza jest dośrodkowa:
i tworzy przyspieszenie dośrodkowe równy:
W tym przypadku cząstka porusza się po okręgu.
. 
Zgodnie z drugim prawem Newtona: siła Lorentza jest równa iloczynowi masy cząstki i przyspieszenia dośrodkowego:
następnie promień okręgu:
oraz okres obrotu ładunku w polu magnetycznym:
Ponieważ prąd elektryczny reprezentuje uporządkowany ruch ładunków, wpływ pola magnetycznego na przewodnik, w którym płynie prąd, jest wynikiem jego działania na poszczególne poruszające się ładunki. Jeśli wprowadzimy do pola magnetycznego przewodnik z prądem (ryc. 96a), zobaczymy, że w wyniku dodania pól magnetycznych magnesu i przewodnika powstałe pole magnetyczne będzie wzrastać po jednej stronie przewodnika (na rysunku powyżej), a pole magnetyczne osłabnie po drugiej stronie przewodnika (na rysunku poniżej). W wyniku działania dwóch pól magnetycznych linie magnetyczne uginają się i próbując się skurczyć, popychają przewodnik w dół (ryc. 96, b).
Kierunek siły działającej na przewodnik z prądem w polu magnetycznym można określić za pomocą „reguły lewej ręki”. Jeśli lewą rękę umieścimy w polu magnetycznym w taki sposób, że linie magnetyczne wychodzące z bieguna północnego zdają się wchodzić w dłoń, a cztery wyciągnięte palce pokrywają się z kierunkiem prądu w przewodniku, wówczas duży zgięty palec ręka wskaże kierunek siły. Siła amperowa działająca na element długości przewodnika zależy od: wielkości indukcji magnetycznej B, wielkości prądu w przewodniku I, elementu długości przewodnika oraz sinusa kąta a pomiędzy kierunek elementu długości przewodnika i kierunek pola magnetycznego.
Zależność tę można wyrazić wzorem:
Dla prostego przewodnika o skończonej długości, umieszczonego prostopadle do kierunku jednorodnego pola magnetycznego, siła działająca na przewodnik będzie równa:
Z ostatniego wzoru wyznaczamy wymiar indukcji magnetycznej.
Ponieważ wymiar siły wynosi:
tj. wymiar indukcji jest taki sam, jak ten, który otrzymaliśmy z prawa Biota i Savarta.
Tesla (jednostka indukcji magnetycznej)
Tesli, jednostka indukcji magnetycznej Międzynarodowy Układ Jednostek Miar, równy Indukcja magnetyczna, przy którym strumień magnetyczny przez przekrój powierzchni 1 M 2 równa się 1 Webera. Nazwany na cześć N. Tesli. Oznaczenia: rosyjskie tl, międzynarodowy T. 1 tl = 104 gs(gaus).
Moment magnetyczny, magnetyczny moment dipolowy- główna wielkość charakteryzująca właściwości magnetyczne Substancje. Moment magnetyczny mierzy się w A⋅m 2 lub J/T (SI) lub erg/Gs (SGS), 1 erg/Gs = 10 -3 J/T. Specyficzną jednostką elementarnego momentu magnetycznego jest magneton Bohra. W przypadku płaskiego obwodu z prądem elektrycznym moment magnetyczny oblicza się jako
Gdzie - obecna siła w konturze jest obszarem konturu, jest wektorem jednostkowym normalnej do płaszczyzny konturu. Kierunek momentu magnetycznego zwykle wyznacza się zgodnie z zasadą świdra: jeśli obrócisz uchwyt świdra w kierunku prądu, wówczas kierunek momentu magnetycznego będzie pokrywał się z kierunkiem ruchu translacyjnego świdra.
Dla dowolnej zamkniętej pętli moment magnetyczny wyznacza się ze wzoru:
,
gdzie jest wektorem promienia narysowanym od początku do elementu długości konturu
W ogólnym przypadku dowolnego rozkładu prądu w ośrodku:
,
gdzie jest gęstość prądu w elemencie objętości.
Zatem moment obrotowy działa na obwód przewodzący prąd w polu magnetycznym. Kontur jest zorientowany w danym punkcie pola tylko w jeden sposób. Przyjmijmy, że dodatni kierunek normalnej jest kierunkiem pola magnetycznego w danym punkcie. Moment obrotowy jest wprost proporcjonalny do prądu I, obszar konturu S oraz sinus kąta między kierunkiem pola magnetycznego a normalną.
Tutaj M - moment obrotowy , Lub chwila mocy , - Moment magnetyczny obwód (podobnie - moment elektryczny dipola).
W polu niejednorodnym () formuła jest ważna, jeśli rozmiar konturu jest dość mały(wtedy pole można uznać za w przybliżeniu jednolite w obrębie konturu). W rezultacie obwód z prądem nadal ma tendencję do obracania się, tak że jego moment magnetyczny jest skierowany wzdłuż linii wektora.
Ale dodatkowo na obwód działa siła wypadkowa (w przypadku pola jednorodnego i ). Siła ta działa momentem na obwód z prądem lub na magnes trwały i wciąga je w obszar silniejszego pola magnetycznego.
Praca nad poruszaniem obwodu z prądem w polu magnetycznym.
Łatwo udowodnić, że praca wykonana podczas poruszania obwodu z prądem w polu magnetycznym jest równa 
, gdzie i są strumieniami magnetycznymi przez obszar konturu w położeniu końcowym i początkowym. Ta formuła jest ważna, jeśli prąd w obwodzie jest stały, tj. Podczas przesuwania konturu zjawisko nie jest brane pod uwagę Indukcja elektromagnetyczna.
Wzór obowiązuje również dla dużych obwodów w wysoce niejednorodnym polu magnetycznym (pod warunkiem ja= stała).
Wreszcie, jeśli obwód z prądem nie zostanie przesunięty, ale pole magnetyczne ulegnie zmianie, tj. zmień strumień magnetyczny przez powierzchnię objętą obwodem z wartości na, a następnie w tym celu musisz wykonać tę samą pracę 
. Praca ta nazywana jest pracą polegającą na zmianie strumienia magnetycznego związanego z obwodem. Strumień wektora indukcji magnetycznej (strumień magnetyczny) przez pad dS nazywa się skalarem wielkość fizyczna, co jest równe
gdzie B n = Вcosα jest rzutem wektora W do kierunku normalnej do miejsca dS (α jest kątem między wektorami N I W), D S= dS N- wektor, którego moduł jest równy dS, a jego kierunek pokrywa się z kierunkiem normalnej N do witryny. Wektor przepływu W może być dodatnia lub ujemna w zależności od znaku cosα (ustawianego poprzez wybranie dodatniego kierunku normalnej N). Wektor przepływu W zwykle kojarzony z obwodem, przez który przepływa prąd. W tym przypadku określiliśmy dodatni kierunek normalnej do konturu: jest on powiązany z prądem na zasadzie prawej śruby. Oznacza to, że strumień magnetyczny wytwarzany przez obwód przez ograniczoną przez siebie powierzchnię jest zawsze dodatni.
Strumień wektora indukcji magnetycznej Ф B przez dowolną daną powierzchnię S jest równy
(2)
Dla jednolitego pola i płaskiej powierzchni, która jest położona prostopadle do wektora W, Bn =B=stała i
Wzór ten podaje jednostkę strumienia magnetycznego Webera(Wb): 1 Wb to strumień magnetyczny przechodzący przez płaską powierzchnię o powierzchni 1 m 2, umieszczoną prostopadle do jednolitego pola magnetycznego i której indukcja wynosi 1 T (1 Wb = 1 T.m 2).
Twierdzenie Gaussa dla pola B: strumień wektora indukcji magnetycznej przez dowolną zamkniętą powierzchnię wynosi zero:
(3)
Twierdzenie to jest odzwierciedleniem faktu, że żadnych ładunków magnetycznych, w wyniku czego linie indukcji magnetycznej nie mają początku ani końca i są zamknięte.
Dlatego dla strumieni wektorów W I mi przez zamkniętą powierzchnię w wirze i polach potencjalnych uzyskuje się różne wzory.
Jako przykład znajdźmy przepływ wektorowy W przez elektromagnes. Indukcja magnetyczna jednolitego pola wewnątrz solenoidu z rdzeniem o przenikalności magnetycznej μ jest równa
Strumień magnetyczny przez jeden zwój solenoidu o powierzchni S jest równy
oraz całkowity strumień magnetyczny, który jest powiązany ze wszystkimi zwojami solenoidu i nazywany jest połączenie strumienia,
ABSTRAKCYJNY
W temacie „Fizyka”
Temat: „Zastosowanie siły Lorentza”
Ukończył: Student grupy T-10915 Logunova M.V.
Nauczyciel Woroncow B.S.
Kurgan 2016
Wstęp. 3
1. Zastosowanie siły Lorentza. 4
.. 4
1.2 Spektrometria mas. 6
1. 3 generator MHD. 7
1. 4 Cyklotron. 8
Wniosek. jedenaście
Wykaz używanej literatury... 13
Wstęp
Siła Lorentza- siła, z jaką pole elektromagnetyczne, zgodnie z elektrodynamiką klasyczną (niekwantową), działa na cząstkę naładowaną punktowo. Czasami siłę Lorentza nazywa się siłą działającą na poruszający się obiekt z dużą prędkością υ opłata Q często tylko od strony pola magnetycznego cała siła- z boku pole elektromagnetyczne ogólnie, innymi słowy, od strony elektrycznej mi i magnetyczne B pola.
W Międzynarodowym Układzie Jednostek (SI) wyraża się to jako:
F L = Q υ B grzech α
Jej nazwa pochodzi od holenderskiego fizyka Hendrika Lorentza, który w 1892 roku stworzył określenie tej siły. Trzy lata przed Lorenzem właściwe wyrażenie znalazł O. Heaviside.
Makroskopowym przejawem siły Lorentza jest siła Ampera.
Korzystanie z siły Lorentza
Wpływ pola magnetycznego na poruszające się naładowane cząstki jest bardzo szeroko stosowany w technologii.
Głównym zastosowaniem siły Lorentza (a dokładniej jej szczególnego przypadku - siły Ampera) są maszyny elektryczne (silniki i generatory elektryczne). Siła Lorentza jest szeroko stosowana w urządzeniach elektronicznych do wpływania na naładowane cząstki (elektrony, a czasami jony), na przykład w telewizji Lampy katodowe , V spekrtometria masy I Generatory MHD.
Również w obecnie tworzonych instalacjach doświadczalnych do prowadzenia kontrolowanej reakcji termojądrowej, działanie pola magnetycznego na plazmę wykorzystuje się do skręcenia jej w linkę nie dotykającą ścianek komory roboczej. Ruch kołowy naładowanych cząstek w jednorodnym polu magnetycznym i niezależność okresu tego ruchu od prędkości cząstek wykorzystuje się w cyklicznych akceleratorach cząstek naładowanych - cyklotrony.
1. 1. Urządzenia wykorzystujące wiązkę elektronów
Urządzenia wykorzystujące wiązkę elektronów (EBD) to klasa próżniowych urządzeń elektronicznych, które wykorzystują przepływ elektronów skupionych w postaci pojedynczej wiązki lub wiązki wiązek, których natężenie (prąd) jest kontrolowane zarówno pod względem natężenia (prądu), jak i położenia w przestrzeni oraz które oddziałują z stacjonarny cel przestrzenny (ekran) urządzenia. Głównym obszarem zastosowania ELP jest konwersja informacji optycznej na sygnały elektryczne oraz odwrotna konwersja sygnału elektrycznego na sygnał optyczny – na przykład na widzialny obraz telewizyjny.
Do klasy urządzeń katodowych nie zalicza się lamp rentgenowskich, fotokomórek, fotopowielaczy, urządzeń wyładowczych (dekatronów) oraz lamp elektronowych odbiorczych i wzmacniających (tetrody wiązkowe, elektryczne wskaźniki próżniowe, lampy z emisją wtórną itp.) o mocy postać wiązkowa prądów.
Urządzenie wykorzystujące wiązkę elektronów składa się z co najmniej trzech głównych części:
· Elektroniczny reflektor (pistolet) wytwarza wiązkę elektronów (lub wiązkę promieni, na przykład trzy wiązki w kineskopie kolorowym) i reguluje jej intensywność (prąd);
· System odchylania kontroluje przestrzenne położenie wiązki (jej odchylenie od osi reflektora);
· Cel (ekran) odbiorczego ELP przetwarza energię wiązki na strumień świetlny widzialnego obrazu; cel transmitującego lub przechowującego ELP gromadzi ulgę potencjału przestrzennego, odczytywaną przez skaningową wiązkę elektronów
| Ryż. 1 urządzenie CRT |
Ogólne zasady działania urządzenia.
W cylindrze CRT wytwarzana jest głęboka próżnia. Do wytworzenia wiązki elektronów wykorzystuje się urządzenie zwane działem elektronowym. Katoda nagrzana przez żarnik emituje elektrony. Zmieniając napięcie na elektrodzie sterującej (modulatorze), można zmienić intensywność wiązki elektronów i odpowiednio jasność obrazu. Po opuszczeniu pistoletu elektrony są przyspieszane przez anodę. Następnie wiązka przechodzi przez system odchylający, który może zmienić kierunek wiązki. Telewizyjne kineskopy wykorzystują system odchylania magnetycznego, ponieważ zapewnia on duże kąty odchylenia. Oscylograficzne CRT wykorzystują elektrostatyczny system odchylania, ponieważ zapewnia on większą wydajność. Wiązka elektronów uderza w ekran pokryty fosforem. Bombardowany elektronami luminofor świeci, a szybko poruszająca się plamka o zmiennej jasności tworzy obraz na ekranie.
1.2 Spektrometria mas
| Ryż. 2 |
Siłę Lorentza wykorzystuje się także w przyrządach zwanych spektrografami masowymi, które służą do oddzielania naładowanych cząstek w zależności od ich ładunków właściwych.
Spekrtometria masy(spektroskopia mas, spektrografia mas, analiza widm mas, analiza spektrometrii mas) - metoda badania substancji polegająca na określeniu stosunku masy do ładunku jonów powstałych w wyniku jonizacji wybranych składników próbki. Jeden z najpotężniejszych sposobów jakościowej identyfikacji substancji, który pozwala również na oznaczenie ilościowe. Można powiedzieć, że spektrometria mas to „ważenie” cząsteczek w próbce.
Schemat najprostszego spektrografu mas pokazano na rysunku 2.
W komorze 1, z której usunięto powietrze, znajduje się źródło jonów 3. Komorę umieszcza się w jednorodnym polu magnetycznym, w każdym punkcie którego indukcja B⃗ B→ jest prostopadła do płaszczyzny rysunku i skierowana w stronę us (na rysunku 1 to pole jest oznaczone kółkami). Pomiędzy elektrody A i B przykładane jest napięcie przyspieszające, pod wpływem którego jony emitowane ze źródła ulegają przyspieszaniu i z określoną prędkością wchodzą w pole magnetyczne prostopadłe do linii indukcyjnych. Poruszając się w polu magnetycznym po łuku kołowym, jony opadają na kliszę fotograficzną 2, co pozwala wyznaczyć promień R tego łuku. Znając indukcję pola magnetycznego B i prędkość υ jonów, zgodnie ze wzorem
można określić ładunek właściwy jonów. A jeśli znany jest ładunek jonu, można obliczyć jego masę.
Historia spektrometrii mas sięga przełomowych eksperymentów J. J. Thomsona na początku XX wieku. Końcówka „-metry” w nazwie metody pojawiła się po powszechnym przejściu od wykrywania cząstek naładowanych za pomocą klisz fotograficznych do pomiary elektryczne prądy jonowe.
Spektrometria mas jest szczególnie szeroko stosowana w analizie materia organiczna, ponieważ zapewnia pewną identyfikację zarówno stosunkowo prostych, jak i złożonych cząsteczek. Jedynym ogólnym wymaganiem jest to, aby cząsteczka była podatna na jonizację. Jednak już to zostało wynalezione
Istnieje tak wiele sposobów jonizacji składników próbki, że spektrometrię mas można uznać za metodę obejmującą niemal wszystko.
1. 3 generator MHD
Generator magnetohydrodynamiczny, generator MHD to elektrownia, w której energia cieczy roboczej (ciekłego lub gazowego ośrodka przewodzącego elektryczność) poruszającego się w polu magnetycznym zamieniana jest bezpośrednio na energię elektryczną.
Zasada działania generatora MHD, podobnie jak konwencjonalnego generatora maszynowego, opiera się na zjawisku indukcji elektromagnetycznej, czyli na występowaniu prądu w przewodniku przekraczającym linie pola magnetycznego. W przeciwieństwie do generatorów maszynowych, przewodnikiem w generatorze MHD jest sam płyn roboczy.
Płyn roboczy porusza się w polu magnetycznym i pod wpływem pola magnetycznego powstają przeciwnie skierowane przepływy nośników ładunku o przeciwnych znakach.
Na cząstkę naładowaną działa siła Lorentza.
Jako płyn roboczy generatora MHD mogą służyć następujące media:
· elektrolity;
· ciekłe metale;
· plazma (gaz zjonizowany).
W pierwszych generatorach MHD jako płyn roboczy stosowano ciecze przewodzące prąd elektryczny (elektrolity). Obecnie wykorzystuje się plazmę, w której nośnikami ładunku są głównie wolne elektrony i jony dodatnie. Pod wpływem pola magnetycznego nośniki ładunku odchylają się od trajektorii, po której poruszałby się gaz w przypadku braku pola. W takim przypadku w silnym polu magnetycznym może powstać pole Halla (patrz efekt Halla) - pole elektryczne powstałe w wyniku zderzeń i przemieszczeń naładowanych cząstek w płaszczyźnie prostopadłej do pola magnetycznego.
1. 4 Cyklotron
Cyklotron to rezonansowy akcelerator cykliczny nierelatywistycznych ciężkich cząstek naładowanych (protonów, jonów), w którym cząstki poruszają się w stałym i jednorodnym polu magnetycznym, a do ich przyspieszania wykorzystywane jest pole elektryczne o wysokiej częstotliwości i stałej częstotliwości.
Schemat obwodu cyklotronu pokazano na ryc. 3. Ciężkie naładowane cząstki (protony, jony) dostają się do komory z wtryskiwacza znajdującego się w pobliżu środka komory i są przyspieszane przez pole zmienne o stałej częstotliwości przyłożone do elektrod przyspieszających (są dwie i nazywane są dees). Cząstki o ładunku Ze i masie m poruszają się w stałym polu magnetycznym o natężeniu B, skierowanym prostopadle do płaszczyzny ruchu cząstek, po rozwijającej się spirali. Promień R trajektorii cząstki o prędkości v określa wzór
gdzie γ = -1/2 jest czynnikiem relatywistycznym.
W cyklotronie dla nierelatywistycznej (γ ≈ 1) cząstki w stałym i jednorodnym polu magnetycznym promień orbity jest proporcjonalny do prędkości (1) i częstotliwości obrotu cząstki nierelatywistycznej (częstotliwość cyklotronu nie nie zależy od energii cząstek
| mi = mv 2 /2 = (Ze) 2 B 2 R 2 /(2m) (3) |
W szczelinie między deeskami cząstki są przyspieszane impulsem pole elektryczne(wewnątrz wydrążonych metalowych elementów nie ma pola elektrycznego). W rezultacie wzrasta energia i promień orbity. Powtarzając przyspieszenie pola elektrycznego przy każdym obrocie, energia i promień orbity są doprowadzane do maksimum dopuszczalne wartości. W tym przypadku cząstki uzyskują prędkość v = ZeBR/m i odpowiednią energię:
Na ostatnim zwoju spirali włącza się odchylające pole elektryczne, które wyprowadza wiązkę na zewnątrz. Stałość pola magnetycznego i częstotliwość pola przyspieszającego umożliwiają ciągłe przyspieszanie. Podczas gdy niektóre cząstki poruszają się po zewnętrznych zwojach spirali, inne znajdują się w środku ścieżki, a jeszcze inne dopiero zaczynają się poruszać.
Wadą cyklotronu jest ograniczenie przez zasadniczo nierelatywistyczne energie cząstek, ponieważ nawet niezbyt duże poprawki relatywistyczne (odchylenia γ od jedności) zakłócają synchronizm przyspieszeń na różnych zwojach i cząstki o znacznie zwiększonych energiach nie mają już czasu na znaleźć się w szczelinie między deskami w fazie pola elektrycznego wymaganej do przyspieszenia. W konwencjonalnych cyklotronach protony można przyspieszać do 20–25 MeV.
Aby przyspieszyć ciężkie cząstki w trybie rozwijającej się spirali do energii kilkudziesięciu razy wyższych (do 1000 MeV), modyfikacja cyklotronu zwana izochroniczny(relatywistyczny) cyklotron, a także fasotron. W cyklotronach izochronicznych efekty relatywistyczne są kompensowane przez promieniowy wzrost pola magnetycznego.
Wniosek
Ukryty tekst
Pisemna konkluzja (najbardziej podstawowa dla wszystkich akapitów pierwszej części - zasady działania, definicje)
Wykaz używanej literatury
1. Wikipedia [Zasoby elektroniczne]: Siła Lorentza. Adres URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Lorentz_Force
2. Wikipedia [Zasoby elektroniczne]: Generator magnetohydrodynamiczny. Adres URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Magnetohydrodynamic_generator
3. Wikipedia [Zasoby elektroniczne]: Urządzenia wykorzystujące wiązkę elektronów. Adres URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Electron-beam_devices
4. Wikipedia [Zasoby elektroniczne]: Spektrometria mas. Adres URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Spektrometria mas
5. Fizyka nuklearna w Internecie [Zasoby elektroniczne]: Cyklotron. Adres URL: http://nuclphys.sinp.msu.ru/experiment/accelerators/ciclotron.htm
6. Elektroniczny podręcznik fizyki [Zasoby elektroniczne]: T. Zastosowania siły Lorentza // URL: http://www.physbook.ru/index.php/ T. Zastosowania siły Lorentza
7. Akademik [Zasoby elektroniczne]: Generator magnetohydrodynamiczny // URL: http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/MAGNETOHYDRODYNAMIC
©2015-2019 strona
Wszelkie prawa należą do ich autorów. Ta witryna nie rości sobie praw do autorstwa, ale zapewnia bezpłatne korzystanie.
Data utworzenia strony: 2017-03-31
Moc amperowa, działając na odcinek przewodnika o długości Δ l z obecną siłą I, znajdujący się w polu magnetycznym B,
Wyrażenie na siłę Ampera można zapisać jako:
Ta siła nazywa się Siła Lorentza . Kąt α w tym wyrażeniu równy kątowi pomiędzy prędkością a wektor indukcji magnetycznej Kierunek siły Lorentza działającej na dodatnio naładowaną cząstkę, a także kierunek siły Ampera można znaleźć ze wzoru reguła lewej ręki lub przez zasada świdra. Względne położenie wektorów , i dla dodatnio naładowanej cząstki pokazano na ryc. 1.18.1.
|
|
|
Rysunek 1.18.1. Względne położenie wektorów i Moduł siły Lorentza jest liczbowo równy obszarowi równoległoboku zbudowanego na wektorach i pomnożonego przez ładunek Q |
Siła Lorentza jest skierowana prostopadle do wektorów i
Kiedy naładowana cząstka porusza się w polu magnetycznym, siła Lorentza nie działa. Dlatego wielkość wektora prędkości nie zmienia się, gdy cząstka się porusza.
Jeżeli naładowana cząstka porusza się w jednolitym polu magnetycznym pod wpływem siły Lorentza, a jej prędkość leży w płaszczyźnie prostopadłej do wektora, to cząstka będzie poruszać się po okręgu o promieniu
Okres obrotu cząstki w jednolitym polu magnetycznym jest równy
zwany częstotliwość cyklotronu . Częstotliwość cyklotronu nie zależy od prędkości (a tym samym od energii kinetycznej) cząstki. Okoliczność ta jest wykorzystywana w cyklotrony – akceleratory cząstek ciężkich (protony, jony). Schemat ideowy cyklotronu pokazano na ryc. 1.18.3.
Pomiędzy biegunami silnego elektromagnesu umieszczona jest komora próżniowa, w której znajdują się dwie elektrody w postaci wydrążonych metalowych półcylindrów ( czyny ). Do desek przykładane jest zmienne napięcie elektryczne, którego częstotliwość jest równa częstotliwości cyklotronu. Naładowane cząstki są wtryskiwane do środka komory próżniowej. Cząstki są przyspieszane przez pole elektryczne w szczelinie między cząsteczkami. Wewnątrz dees cząstki poruszają się pod wpływem siły Lorentza po półkolach, których promień zwiększa się wraz ze wzrostem energii cząstek. Za każdym razem, gdy cząstka przelatuje przez szczelinę między deeskami, jest przyspieszana przez pole elektryczne. Zatem w cyklotronie, podobnie jak we wszystkich innych akceleratorach, naładowana cząstka jest przyspieszana przez pole elektryczne i utrzymywana na swojej trajektorii przez pole magnetyczne. Cyklotrony umożliwiają przyspieszanie protonów do energii rzędu 20 MeV.
Jednolite pola magnetyczne są stosowane w wielu urządzeniach, a zwłaszcza w spektrometry masowe – urządzenia, za pomocą których można zmierzyć masy naładowanych cząstek – jonów lub jąder różnych atomów. Do separacji stosuje się spektrometry mas izotopy, czyli jądra atomowe o tym samym ładunku, ale różne masy(np. 20 Ne i 22 Ne). Najprostszy spektrometr mas pokazano na ryc. 1.18.4. Jony uciekające ze źródła S, przejdź przez kilka małych otworów, tworząc wąską wiązkę. Potem wsiadają selektor prędkości , w którym poruszają się cząstki skrzyżowane jednorodne pola elektryczne i magnetyczne. Pole elektryczne powstaje pomiędzy płytkami płaskiego kondensatora, pole magnetyczne powstaje w szczelinie między biegunami elektromagnesu. Początkowa prędkość naładowanych cząstek jest skierowana prostopadle do wektorów i
Na cząstkę poruszającą się w skrzyżowanych polach elektrycznych i magnetycznych działa siła elektryczna magnetyczna siła Lorentza. Jeśli się uwzględni mi = υ B siły te dokładnie się równoważą. Jeżeli ten warunek zostanie spełniony, cząstka będzie poruszać się równomiernie i prostoliniowo, a po przelocie przez kondensator przejdzie przez otwór w ekranie. Dla zadanych wartości pola elektrycznego i magnetycznego selektor będzie selekcjonował cząstki poruszające się z prędkością υ = mi / B.
Następnie cząstki o tej samej wartości prędkości wchodzą do komory spektrometru mas, w której wytwarza się jednolite pole magnetyczne.Cząstki poruszają się w komorze w płaszczyźnie prostopadłej do pola magnetycznego pod wpływem siły Lorentza. Trajektorie cząstek to okręgi o promieniach R = Mυ / qB”. Pomiar promieni trajektorii dla znanych wartości υ i B" można ustalić związek Q / M. W przypadku izotopów ( Q 1 = Q 2) spektrometr mas pozwala na rozdzielenie cząstek o różnych masach.
Nowoczesne spektrometry mas umożliwiają pomiar mas cząstek naładowanych z dokładnością większą niż 10 –4.
Jeśli prędkość cząstki ma składową zgodną z kierunkiem pola magnetycznego, wówczas cząstka taka będzie poruszać się w jednolitym polu magnetycznym po spirali. W tym przypadku promień spirali R zależy od modułu składowej prostopadłej do pola magnetycznego υ ┴ wektora i skoku spirali P– z modułu składowej podłużnej υ || (Rys. 1.18.5).
Zatem trajektoria naładowanej cząstki wydaje się owijać wokół linii indukcji magnetycznej. Zjawisko to wykorzystywane jest w technologii do magnetyczna izolacja termiczna plazmy wysokotemperaturowej, czyli całkowicie zjonizowany gaz o temperaturze rzędu 10,6 K. Substancję w tym stanie uzyskuje się w instalacjach typu Tokamak podczas badania kontrolowanych reakcji termojądrowych. Plazma nie powinna mieć kontaktu ze ściankami komory. Izolację termiczną uzyskuje się poprzez wytworzenie pola magnetycznego o specjalnej konfiguracji. Jako przykład na ryc. 1.18.6 pokazuje trajektorię naładowanej cząstki w magnetyczna „butelka”(Lub uwięziony ).
Podobne zjawisko zachodzi w ziemskim polu magnetycznym, które stanowi ochronę wszystkich żywych istot przed przepływem naładowanych cząstek z kosmosu. Szybko naładowane cząstki z kosmosu (głównie ze Słońca) są „wychwytywane” przez pole magnetyczne Ziemi i tworzą tzw. pasy radiacyjne (Rys. 1.18.7), w którym cząstki, podobnie jak w pułapkach magnetycznych, poruszają się tam i z powrotem po spiralnych trajektoriach pomiędzy północnym i południowym biegunem magnetycznym w czasie rzędu ułamków sekundy. Tylko w regionach polarnych niektóre cząstki przedostają się do górnych warstw atmosfery, powodując zorze polarne. Pasy radiacyjne Ziemi rozciągają się na odległościach rzędu 500 km do dziesiątek promieni Ziemi. Należy pamiętać, że południowy biegun magnetyczny Ziemi znajduje się w pobliżu północnego bieguna geograficznego (w północno-zachodniej Grenlandii). Natura ziemskiego magnetyzmu nie została jeszcze zbadana.
Pytania kontrolne
1.Opisać doświadczenia Oersteda i Ampere'a.
2.Co jest źródłem pola magnetycznego?
3. Jaka jest hipoteza Ampere’a wyjaśniająca istnienie pola magnetycznego magnesu trwałego?
4. Jaka jest zasadnicza różnica pomiędzy polem magnetycznym a polem elektrycznym?
5. Sformułuj definicję wektora indukcji magnetycznej.
6. Dlaczego pole magnetyczne nazywa się wirem?
7. Sformułuj prawa:
A) Amper;
B) Bio-Savart-Laplace.
8. Jaka jest wielkość wektora indukcji magnetycznej pola prądu przewodzenia?
9. Podaj definicję jednostki prądu (ampera) w Międzynarodowym Układzie Jednostek Miar.
10. Zapisz wzór wyrażający ilość:
A) moduł wektora indukcji magnetycznej;
B) Siły amperowe;
B) Siły Lorentza;
D) okres obrotu cząstki w jednorodnym polu magnetycznym;
D) promień krzywizny koła, gdy naładowana cząstka porusza się w polu magnetycznym;
Próba samokontroli
Co zaobserwowano w doświadczeniu Oersteda?
1) Oddziaływanie dwóch równoległych przewodników z prądem.
2) Oddziaływanie dwóch igieł magnetycznych
3) Obracaj igłę magnetyczną w pobliżu przewodnika, przez który przepływa prąd.
4) Pojawienie się prąd elektryczny w cewce po wsunięciu w nią magnesu.
Jak oddziałują na siebie dwa równoległe przewodniki, jeśli płyną w nich prądy w tym samym kierunku?
Przyciągnięty;
Odpychają się;
Siła i moment sił wynoszą zero.
Siła wynosi zero, ale moment siły nie jest zerem.
Jaki wzór określa wyrażenie modułu siły Ampera?
Jaki wzór określa wyrażenie modułu siły Lorentza?
B) 
W) 
G) 
0,6 N; 2) 1 N; 3) 1,4 N; 4) 2,4 N.
1) 0,5 T; 2) 1 T; 3) 2 T; 4) 0,8 T .
Elektron z prędkością V wpada w pole magnetyczne z modułem indukcyjnym B prostopadłym do linii magnetycznych. Jakie wyrażenie odpowiada promieniowi orbity elektronu?
Odpowiedź 1) 
2)
4)
8. Jak zmieni się okres obrotu naładowanej cząstki w cyklotronie, gdy jej prędkość wzrośnie dwukrotnie? (W<< c).
1) Zwiększ 2 razy; 2) Zwiększ 2 razy;
3) Zwiększ 16 razy; 4) Nie zmieni się.
9. Jaki wzór wyznacza moduł indukcji pola magnetycznego wytworzonego w środku prądu kołowego o promieniu R?
1)
2)
3)
4)
10. Natężenie prądu w cewce jest równe I. Który wzór określa moduł indukcji pola magnetycznego w środku długości cewki l z liczbą zwojów N?
1)
2)
3)
4)
Praca laboratoryjna nr.
Wyznaczanie składowej poziomej indukcji pola magnetycznego Ziemi.
Krótka teoria do pracy laboratoryjnej.
Pole magnetyczne to ośrodek materialny, który przenosi tzw. oddziaływania magnetyczne. Pole magnetyczne jest jedną z form manifestacji pola elektromagnetycznego.
Źródłami pól magnetycznych są poruszające się ładunki elektryczne, przewodniki z prądem i zmienne pola elektryczne. Pole magnetyczne, generowane przez poruszające się ładunki (prądy), oddziałuje tylko na poruszające się ładunki (prądy), ale nie ma wpływu na ładunki stacjonarne.
Główną cechą pola magnetycznego jest wektor indukcji magnetycznej 
:
|
|
Wielkość wektora indukcji magnetycznej jest liczbowo równa maksymalnej sile działającej z pola magnetycznego na przewodnik o jednostkowej długości, przez który przepływa prąd o jednostkowej sile. Wektor 
tworzy prawoskrętną trójkę z wektorem siły i kierunkiem prądu. Zatem indukcja magnetyczna jest siłą charakterystyczną dla pola magnetycznego.
Jednostką indukcji magnetycznej w układzie SI jest Tesla (T).
Linie pola magnetycznego to wyimaginowane linie, których styczne pokrywają się w każdym punkcie z kierunkiem wektora indukcji magnetycznej. Linie sił magnetycznych są zawsze zamknięte i nigdy się nie przecinają.
Prawo Ampera określa działanie siły pola magnetycznego na przewodnik z prądem.
Jeśli w polu magnetycznym z indukcją 
umieszcza się przewodnik przewodzący prąd, a następnie każdy element kierowany prądem 
na przewodnik działa siła Ampera, określona przez zależność
|
|
.Kierunek siły Ampera pokrywa się z kierunkiem iloczynu wektorowego 
,
te. jest prostopadła do płaszczyzny, w której leżą wektory 
I 
(ryc. 1).
Ryż. 1. Aby określić kierunek siły Ampera
Jeśli 
prostopadły 
,
wówczas kierunek siły Ampera można określić za pomocą reguły lewej ręki: skieruj cztery wyciągnięte palce wzdłuż prądu, umieść dłoń prostopadle do linii siły, wtedy kciuk wskaże kierunek siły Ampera. Prawo Ampera jest podstawą definicji indukcji magnetycznej, tj. zależność (1) wynika ze wzoru (2) zapisanego w postaci skalarnej.
Siła Lorentza to siła, z jaką pole elektromagnetyczne działa na naładowaną cząstkę poruszającą się w tym polu. Wzór na siłę Lorentza został po raz pierwszy otrzymany przez G. Lorentza w wyniku uogólnienia doświadczenia i ma postać:
|
|
.Gdzie 
– siła działająca na naładowaną cząstkę w polu elektrycznym o określonym natężeniu 
;
–
siła działająca na naładowaną cząstkę w polu magnetycznym.
Wzór na składową magnetyczną siły Lorentza można wyprowadzić z prawa Ampera, biorąc pod uwagę, że prąd jest uporządkowanym ruchem ładunków elektrycznych. Gdyby pole magnetyczne nie działało na poruszające się ładunki, nie miałoby żadnego wpływu na przewodnik przewodzący prąd. Składową magnetyczną siły Lorentza określa się za pomocą wyrażenia:
|
|
.Siła ta jest skierowana prostopadle do płaszczyzny, w której leżą wektory prędkości 
i indukcja pola magnetycznego 
; jego kierunek pokrywa się z kierunkiem iloczynu wektorowego 
Dla Q
> 0 i z kierunkiem 
Dla Q>0
(ryc. 2). 
Ryż. 2. Wyznaczanie kierunku składowej magnetycznej siły Lorentza
Jeśli wektor 
prostopadle do wektora 
, wówczas kierunek składowej magnetycznej siły Lorentza dla cząstek naładowanych dodatnio można wyznaczyć z reguły lewej ręki, a dla cząstek naładowanych ujemnie – z reguły prawej ręki. Ponieważ składowa magnetyczna siły Lorentza jest zawsze skierowana prostopadle do prędkości 
, to nie wykonuje żadnej pracy przy poruszaniu cząstką. Może jedynie zmienić kierunek prędkości 
,
zagiąć trajektorię cząstki, tj. działać jak siła dośrodkowa.
Do obliczania pól magnetycznych stosuje się prawo Biota-Savarta-Laplace'a (definicje 
) utworzone przez przewodniki przewodzące prąd.
Zgodnie z prawem Biota-Savarta-Laplace'a każdy element przewodnika kierowany prądem 
tworzy w odległym punkcie 
z tego pierwiastka powstaje pole magnetyczne, którego indukcję określa zależność:
|
|
.Gdzie 
H/m – stała magnetyczna; µ
– przenikalność magnetyczna ośrodka.
Ryż. 3. W stronę prawa Biota-Savarta-Laplace'a
Kierunek 
pokrywa się z kierunkiem iloczynu wektorowego 
, tj. 
prostopadle do płaszczyzny, w której leżą wektory 
I 
. Jednocześnie 
jest styczna do linii siły, której kierunek można określić na podstawie reguły świdra: jeżeli ruch translacyjny końcówki świdra jest skierowany wzdłuż prądu, to kierunek obrotu rękojeści będzie wyznaczał kierunek świdra linia pola magnetycznego (ryc. 3).
Aby znaleźć pole magnetyczne wytworzone przez cały przewodnik, należy zastosować zasadę superpozycji pola:
|
|
.Na przykład obliczmy indukcję magnetyczną w środku prądu kołowego (ryc. 4).
Ryż. 4. W kierunku obliczenia pola w środku prądu kołowego
Dla prądu kołowego 
I 
, zatem relacja (5) w postaci skalarnej ma postać:
Prawo całkowitego prądu (twierdzenie o cyrkulacji indukcji magnetycznej) to kolejne prawo służące do obliczania pól magnetycznych.
Całkowite prawo prądu dla pola magnetycznego w próżni ma postać:
|
|
.Gdzie B l
–
występ 
na element przewodzący 
, skierowany wzdłuż prądu.
Cyrkulacja wektora indukcji magnetycznej wzdłuż dowolnego obwodu zamkniętego jest równa iloczynowi stałej magnetycznej i sumy algebraicznej prądów przepływających przez ten obwód.
Twierdzenie Ostrogradskiego-Gaussa dotyczące pola magnetycznego jest następujące:
|
|
.Gdzie B N
–
projekcja wektorowa 
Do normalności 
do serwisu dS.
Strumień wektora indukcji magnetycznej przez dowolną zamkniętą powierzchnię wynosi zero.
Charakter pola magnetycznego wynika ze wzorów (9), (10).
Warunkiem potencjalności pola elektrycznego jest to, że cyrkulacja wektora natężenia jest równa zeru 
.
Potencjalne pole elektryczne jest generowane przez stacjonarne ładunki elektryczne; Linie pola nie są zamknięte, zaczynają się na ładunkach dodatnich, a kończą na ujemnych.
Ze wzoru (9) widzimy, że w polu magnetycznym cyrkulacja wektora indukcji magnetycznej jest różna od zera, zatem pole magnetyczne nie jest potencjalne.
Z relacji (10) wynika, że nie istnieją ładunki magnetyczne zdolne do wytworzenia potencjalnego pola magnetycznego. (W elektrostatyce podobne twierdzenie tli się w formie 
.
Linie magnetyczne siły zamykają się wokół siebie. Takie pole nazywa się polem wirowym. Zatem pole magnetyczne jest polem wirowym. Kierunek linii pola wyznacza reguła świdra. W prostym, nieskończenie długim przewodniku, w którym płynie prąd, linie siły mają postać koncentrycznych okręgów otaczających przewodnik (rys. 3).
Dlaczego historia niektórych naukowców zapisała na swoich kartach złotymi literami, a innych wymazała bez śladu? Każdy, kto przychodzi do nauki, ma obowiązek pozostawić w niej swój ślad. Historia ocenia po wielkości i głębokości tego śladu. Tym samym Ampere i Lorentz wnieśli nieoceniony wkład w rozwój fizyki, co umożliwiło nie tylko rozwój teorie naukowe, ale otrzymał znaczną wartość praktyczną. Jak powstał telegraf? Co to są elektromagnesy? Dzisiejsza lekcja odpowie na wszystkie te pytania.
Dla nauki zdobyta wiedza ma ogromną wartość, która może ją później odnaleźć praktyczne użycie. Nowe odkrycia nie tylko poszerzają horyzonty badawcze, ale także rodzą nowe pytania i problemy.
Podkreślmy główne Odkrycia Ampere'a w dziedzinie elektromagnetyzmu.
Po pierwsze, są to oddziaływania przewodników z prądem. Dwa równoległe przewodniki z prądami przyciągają się, jeśli prądy w nich płyną w tym samym kierunku, i odpychają się, jeśli prądy w nich płyną w przeciwnym kierunku (ryc. 1).
Ryż. 1. Przewodniki przewodzące prąd
Prawo Ampera czyta:
Siła oddziaływania między dwoma równoległymi przewodnikami jest proporcjonalna do iloczynu prądów w przewodnikach, proporcjonalna do długości tych przewodników i odwrotnie proporcjonalna do odległości między nimi.
Siła oddziaływania pomiędzy dwoma równoległymi przewodnikami,
Wielkość prądów w przewodnikach,
− długość przewodów,
Odległość między przewodnikami,
Stała magnetyczna.
Odkrycie tego prawa umożliwiło wprowadzenie do jednostek miary aktualnej wartości, która wcześniej nie istniała. Jeśli więc wyjdziemy z definicji natężenia prądu jako stosunku ilości ładunku przeniesionego przez przekrój przewodnika w jednostce czasu, to otrzymamy wielkość zasadniczo niemierzalną, a mianowicie ilość ładunku przeniesionego przez przekrój poprzeczny przewodnika. część dyrygenta. Na podstawie tej definicji nie będziemy mogli wprowadzić jednostki prądu. Prawo Ampera pozwala nam ustalić związek między wielkością prądu w przewodnikach a wielkościami, które można zmierzyć eksperymentalnie: siłą mechaniczną i odległością. Można zatem uwzględnić jednostkę prądu - 1 A (1 amper).
Prąd jednego ampera - jest to prąd, przy którym dwa jednorodne równoległe przewodniki znajdujące się w próżni w odległości jednego metra od siebie oddziałują siłą Newtona.
Prawo oddziaływania prądów - dwa równoległe przewodniki w próżni, których średnice są znacznie mniejsze niż odległości między nimi, oddziałują z siłą wprost proporcjonalną do iloczynu prądów w tych przewodnikach i odwrotnie proporcjonalną do odległości między nimi.
Kolejnym odkryciem Ampera jest prawo działania pola magnetycznego na przewodnik z prądem. Wyraża się to przede wszystkim działaniem pola magnetycznego na cewkę lub ramę z prądem. Zatem na cewkę z prądem w polu magnetycznym działa moment siły, który ma tendencję do obracania tej cewki tak, że jej płaszczyzna staje się prostopadła do linii pola magnetycznego. Kąt obrotu cewki jest wprost proporcjonalny do natężenia prądu w cewce. Jeżeli zewnętrzne pole magnetyczne w cewce jest stałe, to wartość modułu indukcji magnetycznej również jest stała. Powierzchnię cewki przy niezbyt dużych prądach można również uznać za stałą, dlatego prawdą jest, że natężenie prądu jest równe iloczynowi momentu sił obracających cewkę z prądem o pewną stałą wartość pod stałe warunki.
– siła prądu,
– moment sił rozwijających cewkę prądem.
W rezultacie możliwy staje się pomiar natężenia prądu za pomocą kąta obrotu ramy, który jest realizowany w urządzeniu pomiarowym - amperomierzu (ryc. 2).
Ryż. 2. Amperomierz
Po odkryciu wpływu pola magnetycznego na przewodnik przewodzący prąd Ampere zdał sobie sprawę, że odkrycie to można wykorzystać do wprawienia przewodnika w pole magnetyczne. Zatem magnetyzm można przekształcić w ruch mechaniczny - aby stworzyć silnik. Jednym z pierwszych zasilanych prądem stałym był silnik elektryczny (ryc. 3), stworzony w 1834 r. przez rosyjskiego inżyniera elektryka B.S. Jacobiego.
Ryż. 3. Silnik
Rozważmy uproszczony model silnika, który składa się z części stacjonarnej z przymocowanymi do niej magnesami - stojana. Wewnątrz stojana rama z materiału przewodzącego zwana wirnikiem może się swobodnie obracać. Aby prąd elektryczny mógł przepływać przez ramę, łączy się go z zaciskami za pomocą styków ślizgowych (rys. 4). Jeśli podłączysz silnik do źródła prądu stałego w obwodzie z woltomierzem, to po zamknięciu obwodu rama z prądem zacznie się obracać.
Ryż. 4. Zasada działania silnika elektrycznego
W 1269 roku francuski przyrodnik Pierre de Maricourt napisał dzieło zatytułowane „List o magnesie”. Głównym celem Pierre'a de Maricourta było stworzenie perpetuum mobile, w którym miał zamiar wykorzystać niesamowite właściwości magnesy. Nie wiadomo, jak skuteczne były jego próby, ale pewne jest, że Jacobi użył silnika elektrycznego do napędzania łodzi i udało mu się rozpędzić ją do prędkości 4,5 km/h.
Warto wspomnieć o jeszcze jednym urządzeniu, które działa w oparciu o prawa Ampera. Amper pokazał, że cewka z prądem zachowuje się jak trwały magnes. Oznacza to, że można projektować elektromagnes– urządzenie, którego moc można regulować (rys. 5).
Ryż. 5. Elektromagnes
To Ampere wpadł na pomysł, że łącząc przewodniki i igły magnetyczne, można stworzyć urządzenie przesyłające informacje na odległość.
Ryż. 6. Telegraf elektryczny
Pomysł telegrafu (ryc. 6) zrodził się już w pierwszych miesiącach po odkryciu elektromagnetyzmu.
Jednak telegraf elektromagnetyczny stał się powszechny po tym, jak Samuel Morse stworzył wygodniejsze urządzenie i, co najważniejsze, opracował alfabet binarny składający się z kropek i kresek, który nazywa się kodem Morse'a.
Z nadawczego aparatu telegraficznego za pomocą klucza Morse'a, który się zamyka obwód elektryczny, w linii komunikacyjnej generowane są krótkie lub długie sygnały elektryczne odpowiadające kropkom lub kreskom alfabetu Morse'a. W telegraficznym aparacie odbiorczym (przyrządzie do pisania) podczas przepływu sygnału (prądu) elektromagnes przyciąga zworę, do której jest sztywno połączone metalowe kółko do pisania lub rysik, który pozostawia ślad atramentu na taśmie papierowej (ryc. 7).
Ryż. 7. Schemat działania telegrafu
Matematyk Gauss, zapoznając się z badaniami Ampere'a, zaproponował stworzenie oryginalnej armaty (ryc. 8), działającej na zasadzie działania pola magnetycznego na żelazną kulę - pocisk.
Ryż. 8. Działo Gaussa
Należy zwrócić uwagę na co epoka historyczna dokonano tych odkryć. W pierwszej połowie XIX wieku Europa zrobiła skokowy krok na drodze rewolucji przemysłowej – był to czas płodny dla odkryć naukowych i szybkiego ich wdrażania w praktyce. Amper niewątpliwie wniósł znaczący wkład w ten proces, dając cywilizacji elektromagnesy, silniki elektryczne i telegraf, które do dziś są w powszechnym użyciu.
Podkreślmy główne odkrycia Lorenza.
Lorentz ustalił, że pole magnetyczne działa na poruszającą się w nim cząstkę, powodując jej ruch po łuku kołowym:
Siła Lorentza jest siłą dośrodkową prostopadłą do kierunku prędkości. Przede wszystkim prawo odkryte przez Lorentza pozwala nam określić tak ważną cechę, jak stosunek ładunku do masy - konkretna opłata.
Specyficzna wartość ładunku jest wartością unikalną dla każdej naładowanej cząstki, co pozwala na ich identyfikację, niezależnie od tego, czy jest to elektron, proton czy jakakolwiek inna cząstka. Tym samym naukowcy otrzymali potężne narzędzie badawcze. Na przykład Rutherford był w stanie analizować promieniowanie radioaktywne i zidentyfikował jego składniki, wśród których znajdują się cząstki alfa – jądra atomu helu – i cząstki beta – elektrony.
W XX wieku pojawiły się akceleratory, których działanie opiera się na tym, że naładowane cząstki przyspieszane są w polu magnetycznym. Pole magnetyczne zakrzywia trajektorie cząstek (ryc. 9). Kierunek zagięcia śladu pozwala ocenić znak ładunku cząstki; Mierząc promień trajektorii, można określić prędkość cząstki, jeśli znana jest jej masa i ładunek.
Ryż. 9. Krzywizna trajektorii cząstek w polu magnetycznym
Na tej zasadzie zbudowano Wielki Zderzacz Hadronów (rys. 10). Dzięki odkryciom Lorenza nauka otrzymała zasadniczo nowe narzędzie badania fizyczne, otwierając drogę do świata cząstek elementarnych.
Ryż. 10. Wielki Zderzacz Hadronów
Aby scharakteryzować wpływ naukowca na postęp techniczny, pamiętajmy, że z wyrażenia na siłę Lorentza wynika, że możemy obliczyć promień krzywizny toru cząstki poruszającej się w stałym polu magnetycznym. Na stałym warunki zewnętrzne promień ten zależy od masy cząstki, jej prędkości i ładunku. Dzięki temu mamy możliwość klasyfikacji cząstek naładowanych według tych parametrów, dzięki czemu możemy analizować dowolną mieszaninę. Jeśli mieszanina substancji w stanie gazowym zostanie zjonizowana, przyspieszona i skierowana w pole magnetyczne, wówczas cząstki zaczną poruszać się po łukach kołowych o różnych promieniach - cząstki opuszczą pole w różnych punktach i pozostaje tylko naprawić te punkty wyjścia, co jest realizowane za pomocą ekranu pokrytego luminoforem, który świeci, gdy uderzają w niego naładowane cząstki. Dokładnie tak to działa analizator masy(ryc. 11) . Analizatory masy są szeroko stosowane w fizyce i chemii do analizy składu mieszanin.
Ryż. 11. Analizator masy
To nie wszystkie urządzenia techniczne, które działają w oparciu o opracowania i odkrycia Ampere'a i Lorentza, bo wiedza naukowa prędzej czy później przestaje być wyłączną własnością naukowców i staje się własnością cywilizacji, a ucieleśnia się w różnych urządzeniach technicznych, które czynią nasze życie wygodniejszym.
Bibliografia
- Kasyanov V.A., Fizyka 11. klasa: Podręcznik. dla edukacji ogólnej instytucje. - wyd. 4, stereotyp. - M.: Drop, 2004. - 416 s.: il., 8 l. kolor NA
- Gendenstein L.E., Dick Yu.I., Fizyka 11. - M.: Mnemosyne.
- Tikhomirova SA, Yarovsky B.M., Fizyka 11. - M.: Mnemosyne.
- Portal internetowy „Chip and Dip” ().
- Portal internetowy „Biblioteka Miejska w Kijowie” ().
- Portal internetowy „Instytut Kształcenia na Odległość” ().
Praca domowa
1. Kasyanov V.A., Fizyka 11. klasa: Podręcznik. dla edukacji ogólnej instytucje. - wyd. 4, stereotyp. - M.: Drop, 2004. - 416 s.: il., 8 l. kolor na, ul. 88, w. 1-5.
2. W komorze chmurowej, umieszczonej w jednorodnym polu magnetycznym o indukcji 1,5 Tesli, cząstka alfa lecąca prostopadle do linii indukcyjnych pozostawia ślad w postaci łuku kołowego o promieniu 2,7 cm. Wyznacz pęd i energię kinetyczną cząstki. Masa cząstki alfa wynosi 6,7∙10 -27 kg, a ładunek 3,2∙10 -19 C.
3. Spektrograf masowy. Wiązka jonów, przyspieszana różnicą potencjałów 4 kV, wpada w jednolite pole magnetyczne o indukcji magnetycznej 80 mT, prostopadle do linii indukcji magnetycznej. Wiązka składa się z dwóch rodzajów jonów o masach cząsteczkowych 0,02 kg/mol i 0,022 kg/mol. Wszystkie jony mają ładunek 1,6 ∙ 10 -19 C. Jony wylatują z pola w dwóch wiązkach (ryc. 5). Znajdź odległość pomiędzy wylatującymi wiązkami jonów.
4. * Za pomocą silnika elektrycznego prądu stałego ładunek podnosi się na linie. Jeśli odłączysz silnik elektryczny od źródła napięcia i zewrzesz wirnik, obciążenie spadnie stała prędkość. Wyjaśnij to zjawisko. W jaką postać przyjmuje energię potencjalną ładunku?
Wpływ pola magnetycznego na poruszające się naładowane cząstki jest bardzo szeroko stosowany w technologii.
Na przykład odchylenie wiązki elektronów w kineskopach telewizyjnych odbywa się za pomocą pola magnetycznego, które jest wytwarzane przez specjalne cewki. Wiele urządzeń elektronicznych wykorzystuje pole magnetyczne do skupiania wiązek naładowanych cząstek.
W obecnie tworzonych eksperymentalnych instalacjach do prowadzenia kontrolowanej reakcji termojądrowej, działanie pola magnetycznego na plazmę wykorzystuje się do skręcenia jej w linkę nie dotykającą ścianek komory roboczej. Ruch kołowy naładowanych cząstek w jednorodnym polu magnetycznym i niezależność okresu tego ruchu od prędkości cząstek wykorzystuje się w cyklicznych akceleratorach cząstek naładowanych - cyklotrony.
Siłę Lorentza wykorzystuje się także w urządzeniach tzw spektrografy masowe, które są przeznaczone do oddzielania naładowanych cząstek według ich ładunków właściwych.
Schemat najprostszego spektrografu mas pokazano na rysunku 1.
W komorze 1, z której odpompowano powietrze, znajduje się źródło jonów 3. Komorę umieszcza się w jednorodnym polu magnetycznym, w każdym punkcie którego indukcja \(~\vec B\) jest prostopadła do płaszczyzny rysunku i skierowane w naszą stronę (na rysunku 1 to pole jest zaznaczone kółkami) . Pomiędzy elektrody A i B przykładane jest napięcie przyspieszające, pod wpływem którego jony emitowane ze źródła ulegają przyspieszaniu i z określoną prędkością wchodzą w pole magnetyczne prostopadłe do linii indukcyjnych. Poruszając się w polu magnetycznym po łuku, jony padają na kliszę fotograficzną 2, co umożliwia wyznaczenie promienia R ten łuk. Znajomość indukcji pola magnetycznego W i prędkość υ jony, zgodnie ze wzorem
\(~\frac q m = \frac (v)(RB)\)
można określić ładunek właściwy jonów. A jeśli znany jest ładunek jonu, można obliczyć jego masę.
Literatura
Aksenovich L.A. Fizyka w Liceum: Teoria. Zadania. Testy: Podręcznik. dodatek dla placówek prowadzących kształcenie ogólne. środowisko, edukacja / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; wyd. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyakhavanne, 2004. - s. 328.
