Сила на Лоренц, действаща върху заредена частица. Какво е силата на Лоренц, какви са големината и посоките на тази сила

МИНИСТЕРСТВО НА ОБРАЗОВАНИЕТО И НАУКАТА

РУСКА ФЕДЕРАЦИЯ

ФЕДЕРАЛЕН ДЪРЖАВЕН БЮДЖЕТ ОБРАЗОВАТЕЛНА ИНСТИТУЦИЯ ЗА ВИСШЕ ПРОФЕСИОНАЛНО ОБРАЗОВАНИЕ

"КУРГАН ДЪРЖАВЕН УНИВЕРСИТЕТ"

РЕЗЮМЕ

В предмета "Физика" Тема: "Приложение на силата на Лоренц"

Изпълнил: Студент от група Т-10915 Логунова М.В.

Учител Воронцов Б.С.

Курган 2016 г

Въведение 3

1. Използване на силата на Лоренц 4

1.1. Електронно-лъчеви устройства 4

1.2 Масспектрометрия 5

1.3 MHD генератор 7

1.4 Циклотрон 8

Заключение 10

Препратки 11

Въведение

Сила на Лоренц- силата, с която електромагнитното поле, според класическата (неквантова) електродинамика, действа върху точково заредена частица. Понякога силата на Лоренц се нарича силата, действаща върху движещ се обект със скорост υ зареждане рсамо от страната на магнитното поле, често пълна сила- отстрани електро магнитно полекато цяло, с други думи, от електрическа страна днемагнитен бполета.

В Международната система от единици (SI) се изразява като:

Е L = рυ бгрях α

Тя е кръстена на холандския физик Хендрик Лоренц, който извежда израз за тази сила през 1892 г. Три години преди Лоренц правилният израз е намерен от О. Хевисайд.

Макроскопичното проявление на силата на Лоренц е силата на Ампер.

Използване на силата на Лоренц

Ефектът, упражняван от магнитно поле върху движещи се заредени частици, се използва много широко в технологиите.

Основното приложение на силата на Лоренц (по-точно нейния частен случай - силата на Ампер) са електрическите машини (електродвигатели и генератори). Силата на Лоренц се използва широко в електронните устройства за въздействие върху заредени частици (електрони и понякога йони), например в телевизията катодно-лъчеви тръби, В масспектрометрияИ MHD генератори.

Също така в текущо създаден експериментални съоръженияЗа осъществяване на контролирана термоядрена реакция се използва въздействието на магнитното поле върху плазмата, за да се усуче във въже, което не докосва стените на работната камера. Кръговото движение на заредени частици в еднородно магнитно поле и независимостта на периода на такова движение от скоростта на частицата се използват в цикличните ускорители на заредени частици - циклотрони.

1. Електронно-лъчеви устройства

Устройствата с електронен лъч (EBD) са клас вакуумни електронни устройства, които използват поток от електрони, концентриран под формата на единичен лъч или лъч от лъчи, които се контролират както по интензитет (ток), така и по позиция в пространството, и взаимодействат с неподвижна пространствена цел (екран) на устройството. Основната област на приложение на ELP е преобразуването на оптична информация в електрически сигнали и обратното преобразуване на електрическия сигнал в оптичен сигнал - например във видимо телевизионно изображение.

Класът на електронно-лъчевите апарати не включва рентгенови тръби, фотоклетки, фотоумножители, газоразрядни устройства (декатрони) и приемни и усилващи електронни тръби (лъчеви тетроди, електрически вакуумни индикатори, лампи с вторична емисия и др.) с лъчева форма на течения.

Устройството с електронен лъч се състои от най-малко три основни части:

Електронен прожектор (пистолет) образува електронен лъч (или лъч от лъчи, например три лъча в цветна кинескопна тръба) и контролира неговия интензитет (ток);

Системата за отклоняване контролира пространственото положение на лъча (отклонението му от оста на прожектора);

Целта (екранът) на приемащия ELP преобразува енергията на лъча в светлинен поток на видимо изображение; целта на предаващия или съхраняващия ELP натрупва пространствен потенциален релеф, прочетен от сканиращ електронен лъч

В CRT цилиндъра се създава дълбок вакуум. За създаване на електронен лъч се използва устройство, наречено електронна пушка. Катодът, нагрят от нишката, излъчва електрони. Чрез промяна на напрежението на управляващия електрод (модулатор) можете да промените интензитета на електронния лъч и съответно яркостта на изображението. След като напуснат пистолета, електроните се ускоряват от анода. След това лъчът преминава през отклоняваща система, която може да промени посоката на лъча. Телевизионните CRT използват магнитна система за отклонение, тъй като осигурява големи ъгли на отклонение. Осцилографските CRT използват електростатична система за отклонение, тъй като осигурява по-голяма производителност. Електронният лъч удря екран, покрит с фосфор. Бомбардиран от електрони, фосфорът свети и бързо движещо се петно ​​с променлива яркост създава изображение на екрана.

2 Масспектрометрия

Масспектрометрия(масова спектроскопия, масова спектрография, масов спектрален анализ, масспектрометричен анализ) - метод за изследване на вещество, базиран на определяне на съотношението маса към заряд на йони, образувани по време на йонизацията на интересуващите се компоненти на пробата. Един от най-мощните начини за качествена идентификация на веществата, който позволява и количествено определяне. Можем да кажем, че масспектрометрията е „претегляне“ на молекулите в проба.

Диаграмата на най-простия масспектрограф е показана на фигура 2.

В камера 1, от която е изпомпван въздухът, има източник на йони 3. Камерата е поставена в еднородно магнитно поле, във всяка точка на което индукцията B⃗B→ е перпендикулярна на равнината на чертежа и насочена към us (на фигура 1 това поле е обозначено с кръгове). Между електродите А и В се прилага ускоряващо напрежение, под въздействието на което излъчените от източника йони се ускоряват и с определена скорост навлизат в магнитното поле перпендикулярно на индукционните линии. Движейки се в магнитно поле по кръгова дъга, йоните попадат върху фотографска плака 2, което позволява да се определи радиусът R на тази дъга. Познавайки индукцията на магнитното поле B и скоростта υ на йоните, съгласно формулата

(1)

може да се определи специфичният заряд на йоните. И ако зарядът на йона е известен, може да се изчисли неговата маса.

Историята на масспектрометрията датира от основополагащите експерименти на J. J. Thomson в началото на 20-ти век. Окончанието „-метрия“ в името на метода се появи след широко разпространения преход от откриване на заредени частици с помощта на фотографски плаки към електрически измервания на йонни токове.

Особено широко приложениемасспектрометрията намира в анализа органична материя, тъй като осигурява уверена идентификация както на относително прости, така и на сложни молекули. Единственото нещо общо изискване- за да може молекулата да се йонизира. Въпреки това, досега е изобретен

Има толкова много начини за йонизиране на компонентите на пробите, че масспектрометрията може да се счита за почти всеобхватен метод.

3 MHD генератор

Принципът на работа на MHD генератор, подобно на конвенционален машинен генератор, се основава на явлението електромагнитна индукция, тоест на възникването на ток в проводник, пресичащ линиите на магнитното поле. За разлика от машинните генератори, проводникът в MHD генератора е самият работен флуид.

Работната течност се движи през магнитното поле и под въздействието на магнитното поле възникват противоположно насочени потоци от носители на заряд с противоположни знаци.

Силата на Лоренц действа върху заредена частица.

Следната среда може да служи като работна течност на MHD генератора:

Първите MHD генератори са използвали електропроводими течности (електролити) като работна течност. Понастоящем се използва плазма, в която носителите на заряд са предимно свободни електрони и положителни йони. Под въздействието на магнитно поле носителите на заряд се отклоняват от траекторията, по която газът би се движил при липса на поле. В този случай в силно магнитно поле може да възникне поле на Хол (виж ефект на Хол) - електрическо поле, образувано в резултат на сблъсъци и измествания на заредени частици в равнина, перпендикулярна на магнитното поле.

4 Циклотрон

Циклотронът е резонансен цикличен ускорител на нерелативистични тежки заредени частици (протони, йони), в който частиците се движат в постоянно и еднородно магнитно поле, а за ускоряването им се използва високочестотно електрическо поле с постоянна честота.

Електрическата схема на циклотрона е показана на фиг. 3. Тежко заредени частици (протони, йони) навлизат в камерата от инжектора близо до центъра на камерата и се ускоряват променливо полефиксирана честота, прилагана към ускоряващите електроди (има два от тях и се наричат ​​dees). Частиците със заряд Ze и маса m се движат в постоянно магнитно поле с интензитет B, насочено перпендикулярно на равнината на движение на частиците, по развиваща се спирала. Радиусът R на траекторията на частица със скорост v се определя по формулата

В циклотрон, за нерелативистична (γ ≈ 1) частица в постоянно и еднородно магнитно поле, орбиталният радиус е пропорционален на скоростта (1) и честотата на въртене на нерелативистичната частица (честотата на циклотрона не зависи от енергия на частиците

(2)

В последния завой на спиралата, отклонението електрическо поле, извеждайки лъча навън. Постоянността на магнитното поле и честотата на ускоряващото поле правят възможно непрекъснатото ускорение. Докато някои частици се движат по външните завои на спиралата, други са в средата на пътя, а трети едва започват да се движат.

Недостатъкът на циклотрона е ограничението от по същество нерелативистични енергии на частиците, тъй като дори не много големи релативистични корекции (отклонения на γ от единица) нарушават синхронизма на ускорение при различни завои и частиците със значително увеличени енергии вече нямат време да завършват в пролуката между деите във фазата на електрическото поле, необходима за ускорение. В конвенционалните циклотрони протоните могат да бъдат ускорени до 20-25 MeV.

За ускоряване на тежки частици в режим на развиваща се спирала до енергии десетки пъти по-високи (до 1000 MeV), модификация на циклотрона, наречена изохронен(релативистичен) циклотрон, както и фазотрон. В изохронните циклотрони релативистките ефекти се компенсират от радиално увеличение на магнитното поле.

Заключение

Скрит текст

Писмено заключение (най-основното за всички алинеи на първия раздел - принципи на действие, определения)

Списък на използваната литература

Wikipedia [Електронен ресурс]: Lorentz force. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Lorentz_Force

Wikipedia [Електронен ресурс]: Магнитохидродинамичен генератор. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Magnetohydrodynamic_generator

Wikipedia [Електронен ресурс]: Устройства с електронен лъч. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Electron-beam_devices

Wikipedia [Електронен ресурс]: Масспектрометрия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Масова спектрометрия

Ядрена физика в Интернет [Електронен ресурс]: Циклотрон. URL: http://nuclphys.sinp.msu.ru/experiment/accelerators/ciclotron.htm

Електронен учебник по физика [Електронен ресурс]: Т. Приложения на силата на Лоренц //URL: http://www.physbook.ru/index.php/ Т. Приложения на силата на Лоренц

Академик [Електронен ресурс]: Магнитохидродинамичен генератор //URL: http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/MAGNETOHYDRODYNAMIC

Амперна мощност, действащ върху сегмент от проводник с дължина Δ лсъс сила на тока аз, разположен в магнитно поле б,

Изразът за силата на Ампер може да се запише като:

Тази сила се нарича Сила на Лоренц . Ъгълът α в този израз е равен на ъгъла между скоростта и вектор на магнитната индукцияПосоката на силата на Лоренц, действаща върху положително заредена частица, както и посоката на силата на Ампер, могат да бъдат намерени от правило на лявата ръкаили от gimlet rule. Относителното положение на векторите , и за положително заредена частица е показано на фиг. 1.18.1.

Силата на Лоренц е насочена перпендикулярно на векторите и

Когато заредена частица се движи в магнитно поле, силата на Лоренц не действа.Следователно големината на вектора на скоростта не се променя, когато частицата се движи.

Ако заредена частица се движи в еднородно магнитно поле под въздействието на силата на Лоренц и нейната скорост лежи в равнина, перпендикулярна на вектора, тогава частицата ще се движи в окръжност с радиус

Периодът на въртене на частица в еднородно магнитно поле е равен на

Наречен циклотронна честота . Циклотронната честота не зависи от скоростта (и следователно от кинетичната енергия) на частицата. Това обстоятелство се използва в циклотрони – ускорители на тежки частици (протони, йони). Схематична диаграмациклотрон е показан на фиг. 1.18.3.

Между полюсите на силен електромагнит е поставена вакуумна камера, в която има два електрода под формата на кухи метални полуцилиндъра ( дейс ). Променливо електрическо напрежение се прилага към десите, чиято честота е равна на циклотронната честота. Заредените частици се инжектират в центъра на вакуумната камера. Частиците се ускоряват от електрическото поле в пролуката между деите. Вътре в деите частиците се движат под въздействието на силата на Лоренц в полукръгове, чийто радиус се увеличава с увеличаване на енергията на частиците. Всеки път, когато частица лети през пролуката между десните, тя се ускорява от електрическото поле. По този начин в циклотрона, както и във всички други ускорители, заредена частица се ускорява от електрическо поле и се поддържа по траекторията си от магнитно поле. Циклотроните позволяват ускоряването на протоните до енергии от порядъка на 20 MeV.

Еднаквите магнитни полета се използват в много устройства и по-специално в масспектрометри – устройства, с които можете да измервате масите на заредени частици – йони или ядра на различни атоми. За разделяне се използват масспектрометри изотопи, тоест атомни ядра с еднакъв заряд, но различни маси (например 20 Ne и 22 Ne). Най-простият масспектрометър е показан на фиг. 1.18.4. Йони, излизащи от източника С, преминават през няколко малки дупки, образувайки тесен лъч. След това влизат селектор на скорост , в които се движат частици кръстосани хомогенни електрически и магнитни полета. Между плочите на плосък кондензатор се създава електрическо поле, в пролуката между полюсите на електромагнита се създава магнитно поле. Началната скорост на заредените частици е насочена перпендикулярно на векторите и

Върху частица, движеща се в кръстосани електрическо и магнитно поле, действа електрическа сила и магнитна сила на Лоренц. Като се има предвид това д = υ бтези сили точно се балансират една друга. Ако това условие е изпълнено, частицата ще се движи равномерно и праволинейно и след като прелети през кондензатора, ще премине през отвора в екрана. За дадени стойности на електрически и магнитни полета, селекторът ще избере частици, движещи се със скорост υ = д / б.

След това частици с еднаква скорост навлизат в камерата на масспектрометъра, в която се създава еднородно магнитно поле.Частиците се движат в камерата в равнина, перпендикулярна на магнитното поле под въздействието на силата на Лоренц. Траекториите на частиците са кръгове от радиуси Р = мυ / qB". Измерване на радиусите на траекториите за известни стойности на υ и Б"връзката може да бъде определена р / м. В случай на изотопи ( р 1 = р 2) масспектрометърът ви позволява да разделяте частици с различни маси.

Съвременните масспектрометри позволяват да се измерват масите на заредените частици с точност над 10 -4.

Ако скоростта на една частица има компонент по посока на магнитното поле, тогава такава частица ще се движи в еднообразно магнитно поле по спирала. В този случай радиусът на спиралата Рзависи от модула на компонента, перпендикулярен на магнитното поле υ ┴ на вектора и стъпката на спиралата стр– от модула на надлъжната компонента υ || (фиг. 1.18.5).

Така изглежда, че траекторията на заредена частица се навива около линията на магнитна индукция. Това явление се използва в технологиите за магнитна топлоизолация на високотемпературна плазма, т.е. напълно йонизиран газ при температура от порядъка на 10 6 К. Вещество в това състояние се получава в инсталации тип Токамак при изследване на контролирани термоядрени реакции. Плазмата не трябва да влиза в контакт със стените на камерата. Топлоизолацията се постига чрез създаване на магнитно поле със специална конфигурация. Като пример на фиг. 1.18.6 показва траекторията на заредена частица в магнитна "бутилка"(или в капан ).

Подобно явление се случва в магнитното поле на Земята, което е защита за всички живи същества от потоци от заредени частици от космоса. Бързите заредени частици от космоса (основно от Слънцето) се „улавят” от магнитното поле на Земята и образуват т.нар. радиационни пояси (фиг. 1.18.7), в който частиците, както в магнитните капани, се движат напред-назад по спирални траектории между северния и южния магнитен полюс за време от порядъка на части от секундата. Само в полярните региони някои частици нахлуват в горните слоеве на атмосферата, причинявайки полярни сияния. Радиационните пояси на Земята се простират от разстояния от порядъка на 500 km до десетки земни радиуси. Трябва да се помни, че южният магнитен полюс на Земята се намира близо до северния географски полюс (в северозападна Гренландия). Природата на земния магнетизъм все още не е проучена.

Контролни въпроси

1. Опишете опитите на Ерстед и Ампер.

2.Какъв е източникът на магнитното поле?

3. Каква е хипотезата на Ампер, която обяснява съществуването на магнитното поле на постоянен магнит?

4. Каква е основната разлика между магнитното поле и електрическото?

5. Формулирайте дефиницията на вектора на магнитната индукция.

6. Защо магнитното поле се нарича вихрово?

7. Формулирайте закони:

А) Ампер;

B) Bio-Savart-Laplace.

8. Каква е големината на вектора на магнитната индукция на полето с прав ток?

9. Формулирайте дефиницията на единицата ток (ампер) в Международна системаединици.

10. Запишете формулата, изразяваща количеството:

А) модул на вектора на магнитната индукция;

Б) Амперови сили;

Б) сили на Лоренц;

Г) периодът на въртене на частица в еднородно магнитно поле;

Г) радиус на кривина на окръжност при движение на заредена частица в магнитно поле;

Тест за самоконтрол

Какво се наблюдава в експеримента на Ерстед?

1) Взаимодействие на два паралелни проводника с ток.

2) Взаимодействие на две магнитни стрелки

3) Завъртете магнитна стрелка близо до проводник, когато през нея преминава ток.

4) Появата на електрически ток в намотката, когато в нея се натисне магнит.

Как си взаимодействат два успоредни проводника, ако протичат токове в една и съща посока?

Привлечени;

Те се отблъскват;

Силата и моментът на силите са нула.

Силата е нула, но моментът на сила не е нула.

Каква формула определя израза за модула на силата на Ампер?

Каква формула определя израза за модула на силата на Лоренц?

б)

IN)

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 .

Електрон със скорост V лети в магнитно поле с индукционен модул B, перпендикулярно на магнитните линии. Какъв израз съответства на радиуса на орбитата на електрона?

Отговор: 1)
2)

4)

8. Как ще се промени периодът на въртене на заредена частица в циклотрон, когато скоростта му се удвои? (В<< c).

1) Увеличете 2 пъти; 2) Увеличава се 2 пъти;

3) Увеличете с 16 пъти; 4) Няма да се промени.

9. Каква формула определя модула на индукция на магнитно поле, създадено в центъра на кръгов ток с радиус на окръжност R?

1)
2)
3)
4)

10. Силата на тока в намотката е равна на аз. Коя формула определя модула на индукцията на магнитното поле в средата на намотка с дължина л с брой навивки N?

1)
2)
3)
4)

Лабораторна работа №

Определяне на хоризонталната компонента на индукцията на магнитното поле на Земята.

Кратка теория на лабораторната работа.

Магнитното поле е материална среда, която предава така наречените магнитни взаимодействия. Магнитното поле е една от формите на проявление на електромагнитното поле.

Източниците на магнитни полета са движещи се електрически заряди, проводници с ток и променливи електрически полета. Генерирано от движещи се заряди (токове), магнитното поле от своя страна действа само върху движещи се заряди (токове), но няма ефект върху неподвижните заряди.

Основната характеристика на магнитното поле е векторът на магнитната индукция :

Големината на вектора на магнитната индукция е числено равна на максималната сила, действаща от магнитното поле върху проводник с единична дължина, през който протича ток с единична сила. вектор образува дясна тройка с вектора на силата и посоката на тока. По този начин магнитната индукция е силова характеристика на магнитното поле.

Единицата SI за магнитна индукция е тесла (T).

Линиите на магнитното поле са въображаеми линии, във всяка точка на които допирателните съвпадат с посоката на вектора на магнитната индукция. Магнитните силови линии са винаги затворени и никога не се пресичат.

Законът на Ампер определя силовото действие на магнитното поле върху проводник с ток.

Ако в магнитно поле с индукция се поставя токопроводящ проводник, след което всеки токонасочен елемент върху проводника действа силата на Ампер, определена от отношението

Посоката на силата на Ампер съвпада с посоката на векторното произведение
, тези. тя е перпендикулярна на равнината, в която лежат векторите И (Фиг. 1).

Ориз. 1. Да се ​​определи посоката на силата на Ампер

Ако перпендикулярен , тогава посоката на силата на Ампер може да се определи по правилото на лявата ръка: насочете четири изпънати пръста по течението, поставете дланта перпендикулярно на силовите линии, след това палецще покаже посоката на силата на Ампер. Законът на Ампер е в основата на определението за магнитна индукция, т.е. връзка (1) следва от формула (2), записана в скаларна форма.

Силата на Лоренц е силата, с която електромагнитното поле действа върху заредена частица, движеща се в това поле. Формулата на силата на Лоренц е получена за първи път от Г. Лоренц в резултат на обобщаване на опита и има формата:

Където
– сила, действаща върху заредена частица в електрическо поле с интензитет ;
– сила, действаща върху заредена частица в магнитно поле.

Формулата за магнитния компонент на силата на Лоренц може да се получи от закона на Ампер, като се има предвид, че токът е подредено движение на електрически заряди. Ако магнитното поле не действаше върху движещи се заряди, то нямаше да има никакъв ефект върху проводника с ток. Магнитният компонент на силата на Лоренц се определя от израза:

Тази сила е насочена перпендикулярно на равнината, в която лежат векторите на скоростта и индукция на магнитно поле ; неговата посока съвпада с посоката на векторното произведение
За р > 0 и с посока
За р>0 (фиг. 2).

Ориз. 2. Да се ​​определи посоката на магнитната компонента на силата на Лоренц

Ако векторът перпендикулярен на вектора , тогава посоката на магнитния компонент на силата на Лоренц за положително заредени частици може да се намери с помощта на правилото на лявата ръка, а за отрицателно заредени частици с помощта на правилото дясна ръка. Тъй като магнитната компонента на силата на Лоренц винаги е насочена перпендикулярно на скоростта , тогава той не извършва никаква работа за преместване на частицата. Може само да променя посоката на скоростта , огъват траекторията на частица, т.е. действат като центростремителна сила.

Законът на Био-Савар-Лаплас се използва за изчисляване на магнитни полета (дефиниции ), създадени от проводници, по които протича ток.

Съгласно закона на Био-Савар-Лаплас, всеки насочен към ток елемент на проводник създава в точка на разстояние от този елемент, магнитно поле, чиято индукция се определя от връзката:

Където
H/m – магнитна константа; µ – магнитна проницаемост на средата.

Ориз. 3. Към закона на Био-Савар-Лаплас

Посока
съвпада с посоката на векторното произведение
, т.е.
перпендикулярна на равнината, в която лежат векторите И . Едновременно
е допирателна към линията на силата, чиято посока може да се определи от правилото на гимлета: ако транслационното движение на върха на гимлета е насочено по течението, тогава посоката на въртене на дръжката ще определи посоката на линия на магнитното поле (фиг. 3).

За да намерите магнитното поле, създадено от целия проводник, трябва да приложите принципа на суперпозиция на полето:

Например, нека изчислим магнитната индукция в центъра на кръговия ток (фиг. 4).

Ориз. 4. Към изчисляване на полето в центъра на кръговия ток

За кръгов ток
И
, следователно връзката (5) в скаларна форма има формата:

Законът за пълния ток (теорема за циркулация на магнитната индукция) е друг закон за изчисляване на магнитните полета.

Законът за пълния ток за магнитно поле във вакуум има формата:

Където б л – проекция на проводников елемент , насочен по течението.

Циркулацията на вектора на магнитната индукция по всяка затворена верига е равна на произведението на магнитната константа и алгебричната сума на токовете, обхванати от тази верига.

Теоремата на Остроградски-Гаус за магнитното поле е следната:

Където б н – векторна проекция към нормалното към сайта dS.

Потокът на вектора на магнитната индукция през произволна затворена повърхност е нула.

Природата на магнитното поле следва от формули (9), (10).

Състояние на потенциалност електрическо полее равенството на нула на циркулацията на вектора на опън
.

Потенциално електрическо поле се генерира от неподвижни електрически заряди; линиите на полето не са затворени, те започват от положителни зарядии завършват с негативи.

От формула (9) виждаме, че в магнитно поле циркулацията на вектора на магнитната индукция е различна от нула, следователно магнитното поле не е потенциално.

От съотношението (10) следва, че магнитни заряди, способни да създават потенциални магнитни полета, не съществуват. (В електростатиката подобна теорема тлее във формата
.

Магнитните силови линии се затварят сами. Такова поле се нарича вихрово поле. По този начин магнитното поле е вихрово поле. Посоката на линиите на полето се определя от правилото на гимлета. В прав, безкрайно дълъг проводник, по който тече ток, силовите линии имат формата на концентрични кръгове, обграждащи проводника (фиг. 3).

Наред със силата на Ампер, взаимодействието на Кулон и електромагнитните полета, понятието сила на Лоренц често се среща във физиката. Това явление е едно от фундаменталните в електротехниката и електрониката, наред с и др. Той засяга зарядите, които се движат в магнитно поле. В тази статия ще разгледаме накратко и ясно какво представлява силата на Лоренц и къде се прилага.

Определение

Когато електроните се движат по протежение на проводник, около него се появява магнитно поле. В същото време, ако поставите проводник в напречно магнитно поле и го преместите, ще възникне ЕДС на електромагнитна индукция. Ако през проводник, разположен в магнитно поле, протича ток, върху него действа силата на Ампер.

Стойността му зависи от протичащия ток, дължината на проводника, големината на вектора на магнитната индукция и синуса на ъгъла между линиите на магнитното поле и проводника. Изчислява се по формулата:

Разглежданата сила е отчасти подобна на тази, обсъдена по-горе, но действа не върху проводник, а върху движеща се заредена частица в магнитно поле. Формулата изглежда така:

важно!Силата на Лоренц (Fl) действа върху електрон, движещ се в магнитно поле, а върху проводник - Ампер.

От двете формули става ясно, че както в първия, така и във втория случай, колкото по-близо е синусът на ъгъла алфа до 90 градуса, толкова по-голям е ефектът върху проводника или заряда съответно от Fa или Fl.

И така, силата на Лоренц характеризира не промяната в скоростта, а ефекта на магнитното поле върху зареден електрон или положителен йон. Когато е изложен на тях, Fl не върши никаква работа. Съответно посоката на скоростта на заредената частица се променя, а не нейната величина.

Що се отнася до единицата за измерване на силата на Лоренц, както и в случая на други сили във физиката, се използва такова количество като Нютон. Неговите компоненти:

Как е насочена силата на Лоренц?

За да се определи посоката на силата на Лоренц, както при силата на Ампер, правилото на лявата ръка работи. Това означава, че за да разберете накъде е насочена стойността на Fl, трябва да отворите дланта на лявата си ръка, така че линиите на магнитната индукция да влязат в ръката ви, а протегнатите четири пръста да показват посоката на вектора на скоростта. След това палецът, свит под прав ъгъл спрямо дланта, показва посоката на силата на Лоренц. На снимката по-долу можете да видите как да определите посоката.

внимание!Посоката на действието на Лоренц е перпендикулярна на движението на частиците и линиите на магнитната индукция.

В този случай, по-точно, за положително и отрицателно заредени частици има значение посока на четириразтворени пръсти. Правилото на лявата ръка, описано по-горе, е формулирано за положителна частица. Ако е отрицателно зареден, тогава линиите на магнитната индукция трябва да бъдат насочени не към отворената длан, а към гърба й, а посоката на вектора Fl ще бъде обратната.

Сега ще разкажем с прости думи, какво ни дава това явление и какво реално влияние има върху обвиненията. Да приемем, че електронът се движи в равнина, перпендикулярна на посоката на линиите на магнитната индукция. Вече споменахме, че Fl не влияе на скоростта, а само променя посоката на движение на частиците. Тогава силата на Лоренц ще има центростремителен ефект. Това е отразено на фигурата по-долу.

Приложение

От всички области, в които се използва силата на Лоренц, една от най-големите е движението на частици в земното магнитно поле. Ако разглеждаме нашата планета като голям магнит, тогава частиците, които се намират близо до северните магнитни полюси, се движат в ускорена спирала. В резултат на това те се сблъскват с атоми от горните слоеве на атмосферата и ние виждаме северното сияние.

Има обаче и други случаи, в които това явление е приложимо. Например:

• Катодни тръби. В техните електромагнитни отклоняващи системи. CRT се използват повече от 50 години подред в различни устройства, вариращи от най-простия осцилоскоп до телевизори различни формии размери. Любопитно е, че когато става въпрос за цветопредаване и работа с графики, някои все още използват CRT монитори.
• Електрически машини – генератори и двигатели. Въпреки че силата на Ампер е по-вероятно да действа тук. Но тези количества могат да се разглеждат като съседни. Това обаче сложни устройствапри работа на които се наблюдава влиянието на много физични явления.
• В ускорители на заредени частици с цел задаване на техните орбити и посоки.

Заключение

Нека обобщим и очертаем четирите основни точки на тази статия на прост език:

1. Силата на Лоренц действа върху заредени частици, които се движат в магнитно поле. Това следва от основната формула.
2. Тя е право пропорционална на скоростта на заредената частица и магнитната индукция.
3. Не влияе на скоростта на частиците.
4. Влияе на посоката на частицата.

Неговата роля е доста голяма в "електрическите" области. Специалистът не трябва да изпуска от поглед основната теоретична информация за основните физични закони. Тези знания ще бъдат полезни, както и за тези, които се занимават научна работа, дизайн и просто за общо развитие.

Сега знаете какво е силата на Лоренц, на какво е равна и как действа върху заредените частици. Ако имате въпроси, задайте ги в коментарите под статията!

Материали

РЕЗЮМЕ

По предмета "Физика"
Тема: „Приложение на силата на Лоренц“

Изпълнено от: Студент от група Т-10915 Логунова М.В.

Учителят Воронцов Б.С.

Курган 2016 г

Въведение. 3

1. Използване на силата на Лоренц. 4

.. 4

1. 2 Масспектрометрия. 6

1. 3 MHD генератор. 7

1. 4 Циклотрон. 8

Заключение. единадесет

Списък на използваната литература... 13

Въведение

Сила на Лоренц- силата, с която електромагнитното поле, според класическата (неквантова) електродинамика, действа върху точково заредена частица. Понякога силата на Лоренц се нарича силата, действаща върху движещ се обект със скорост υ зареждане рсамо от страната на магнитното поле, често с пълна сила - от страната на електромагнитното поле като цяло, с други думи, от страната на електрическото ди магнитни бполета.

В Международната система от единици (SI) се изразява като:

Е L = р υ бгрях α

Тя е кръстена на холандския физик Хендрик Лоренц, който извежда израз за тази сила през 1892 г. Три години преди Лоренц правилният израз е намерен от О. Хевисайд.

Макроскопичното проявление на силата на Лоренц е силата на Ампер.

Използване на силата на Лоренц

Ефектът, упражняван от магнитно поле върху движещи се заредени частици, се използва много широко в технологиите.

Основното приложение на силата на Лоренц (по-точно нейния частен случай - силата на Ампер) са електрическите машини (електродвигатели и генератори). Силата на Лоренц се използва широко в електронните устройства за въздействие върху заредени частици (електрони и понякога йони), например в телевизията катодно-лъчеви тръби , В масспектрометрияИ MHD генератори.

Също така в създаваните в момента експериментални инсталации за провеждане на контролирана термоядрена реакция се използва действието на магнитно поле върху плазмата, за да се усуче във въже, което не докосва стените на работната камера. Кръговото движение на заредени частици в еднородно магнитно поле и независимостта на периода на такова движение от скоростта на частицата се използват в цикличните ускорители на заредени частици - циклотрони.

1. 1. Електронно-лъчеви устройства

Устройствата с електронен лъч (EBD) са клас вакуумни електронни устройства, които използват поток от електрони, концентриран под формата на единичен лъч или лъч от лъчи, които се контролират както по интензитет (ток), така и по позиция в пространството, и взаимодействат с неподвижна пространствена цел (екран) на устройството. Основната област на приложение на ELP е преобразуването на оптична информация в електрически сигнали и обратното преобразуване на електрическия сигнал в оптичен сигнал - например във видимо телевизионно изображение.

Класът на електронно-лъчевите апарати не включва рентгенови тръби, фотоклетки, фотоумножители, газоразрядни устройства (декатрони) и приемни и усилващи електронни тръби (лъчеви тетроди, електрически вакуумни индикатори, лампи с вторична емисия и др.) с лъчева форма на течения.

Устройството с електронен лъч се състои от най-малко три основни части:

· Електронен прожектор (пистолет) образува електронен лъч (или лъч от лъчи, например три лъча в цветна кинескопна тръба) и контролира неговия интензитет (ток);

· Отклонителната система контролира пространственото положение на лъча (отклонението му от оста на прожектора);

· Мишената (екранът) на приемащия ELP преобразува енергията на лъча в светлинен поток на видимо изображение; целта на предаващия или съхраняващия ELP натрупва пространствен потенциален релеф, прочетен от сканиращ електронен лъч

Общи принципи на устройството.

В CRT цилиндъра се създава дълбок вакуум. За да създадете електронен лъч, устройство, наречено електронна пушка. Катодът, нагрят от нишката, излъчва електрони. Чрез промяна на напрежението на управляващия електрод (модулатор) можете да промените интензитета на електронния лъч и съответно яркостта на изображението. След като напуснат пистолета, електроните се ускоряват от анода. След това лъчът преминава през отклоняваща система, която може да промени посоката на лъча. Телевизионните CRT използват магнитна система за отклонение, тъй като осигурява големи ъгли на отклонение. Осцилографските CRT използват електростатична система за отклонение, тъй като осигурява по-голяма производителност. Електронният лъч удря екран, покрит с фосфор. Бомбардиран от електрони, фосфорът свети и бързо движещо се петно ​​с променлива яркост създава изображение на екрана.

1. 2 Масспектрометрия

Силата на Лоренц се използва и в инструменти, наречени масспектрографи, които са проектирани да разделят заредени частици според техните специфични заряди.

Масспектрометрия(масова спектроскопия, масова спектрография, масов спектрален анализ, масспектрометричен анализ) - метод за изследване на вещество, базиран на определяне на съотношението маса към заряд на йони, образувани чрез йонизация на интересуващите ни компоненти на пробата. Един от най-мощните начини за качествена идентификация на веществата, който позволява и количествено определяне. Можем да кажем, че масспектрометрията е „претегляне“ на молекулите в проба.

Диаграмата на най-простия масспектрограф е показана на фигура 2.

В камера 1, от която е евакуиран въздухът, има източник на йони 3. Камерата е поставена в еднородно магнитно поле, във всяка точка на което индукцията B⃗ B→ е перпендикулярна на равнината на чертежа и насочена към us (на фигура 1 това поле е обозначено с кръгове). Между електродите А и В се прилага ускоряващо напрежение, под въздействието на което излъчените от източника йони се ускоряват и с определена скорост навлизат в магнитното поле перпендикулярно на индукционните линии. Движейки се в магнитно поле по кръгова дъга, йоните попадат върху фотографска плака 2, което позволява да се определи радиусът R на тази дъга. Познавайки индукцията на магнитното поле B и скоростта υ на йоните, съгласно формулата

може да се определи специфичният заряд на йоните. И ако зарядът на йона е известен, може да се изчисли неговата маса.

Историята на масспектрометрията датира от основополагащите експерименти на J. J. Thomson в началото на 20-ти век. Окончанието „-метрия“ в името на метода се появи след широко разпространения преход от откриване на заредени частици с помощта на фотографски плаки към електрически измервания на йонни токове.

Масспектрометрията е особено широко използвана при анализа на органични вещества, тъй като осигурява уверена идентификация както на относително прости, така и на сложни молекули. Единственото общо изискване е молекулата да може да се йонизира. Въпреки това, досега е изобретен

Има толкова много начини за йонизиране на компонентите на пробите, че масспектрометрията може да се счита за почти всеобхватен метод.

1. 3 MHD генератор

Магнитохидродинамичен генератор, MHD генератор е електроцентрала, в която енергията на работна течност (течна или газообразна електропроводима среда), движеща се в магнитно поле, се преобразува директно в електрическа енергия.

Принципът на работа на MHD генератор, подобно на конвенционален машинен генератор, се основава на феномена на електромагнитната индукция, тоест на възникването на ток в проводник, пресичащ линиите на магнитното поле. За разлика от машинните генератори, проводникът в MHD генератора е самият работен флуид.

Работната течност се движи през магнитното поле и под въздействието на магнитното поле възникват противоположно насочени потоци от носители на заряд с противоположни знаци.

Силата на Лоренц действа върху заредена частица.

Следната среда може да служи като работна течност на MHD генератора:

· електролити;

· течни метали;

· плазма (йонизиран газ).

Първите MHD генератори са използвали електропроводими течности (електролити) като работна течност. Понастоящем се използва плазма, в която носителите на заряд са предимно свободни електрони и положителни йони. Под въздействието на магнитно поле носителите на заряд се отклоняват от траекторията, по която газът би се движил при липса на поле. В този случай в силно магнитно поле може да възникне поле на Хол (виж ефект на Хол) - електрическо поле, образувано в резултат на сблъсъци и измествания на заредени частици в равнина, перпендикулярна на магнитното поле.

1. 4 Циклотрон

Циклотронът е резонансен цикличен ускорител на нерелативистични тежки заредени частици (протони, йони), в който частиците се движат в постоянно и еднородно магнитно поле, а за ускоряването им се използва високочестотно електрическо поле с постоянна честота.

Електрическата схема на циклотрона е показана на фиг. 3. Тежките заредени частици (протони, йони) навлизат в камерата от инжектор близо до центъра на камерата и се ускоряват от променливо поле с фиксирана честота, приложено към ускоряващите електроди (има два от тях и се наричат ​​dees). Частиците със заряд Ze и маса m се движат в постоянно магнитно поле с интензитет B, насочено перпендикулярно на равнината на движение на частиците, по развиваща се спирала. Радиусът R на траекторията на частица със скорост v се определя по формулата

където γ = -1/2 е релативистичният фактор.

В циклотрон, за нерелативистична (γ ≈ 1) частица в постоянно и еднородно магнитно поле, орбиталният радиус е пропорционален на скоростта (1) и честотата на въртене на нерелативистичната частица (честотата на циклотрона не зависи от енергия на частиците

В пролуката между гнездата частиците се ускоряват от импулсно електрическо поле (вътре в кухите метални гнезда няма електрическо поле). В резултат на това енергията и радиусът на орбитата се увеличават. Чрез повтаряне на ускорението от електрическото поле при всеки оборот енергията и радиусът на орбитата се довеждат до максимално допустимите стойности. В този случай частиците придобиват скорост v = ZeBR/m и съответната енергия:

При последното завъртане на спиралата се включва отклоняващо електрическо поле, което извежда лъча навън. Постоянността на магнитното поле и честотата на ускоряващото поле правят възможно непрекъснатото ускорение. Докато някои частици се движат по външните завои на спиралата, други са в средата на пътя, а трети едва започват да се движат.

Недостатъкът на циклотрона е ограничението от по същество нерелативистични енергии на частиците, тъй като дори не много големи релативистични корекции (отклонения на γ от единица) нарушават синхронизма на ускорение при различни завои и частиците със значително увеличени енергии вече нямат време да завършват в пролуката между деите във фазата на електрическото поле, необходима за ускорение. В конвенционалните циклотрони протоните могат да бъдат ускорени до 20-25 MeV.

За ускоряване на тежки частици в режим на развиваща се спирала до енергии десетки пъти по-високи (до 1000 MeV), модификация на циклотрона, наречена изохронен(релативистичен) циклотрон, както и фазотрон. В изохронните циклотрони релативистките ефекти се компенсират от радиално увеличение на магнитното поле.

Заключение

Скрит текст

Писмено заключение (най-основното за всички алинеи на първия раздел - принципи на действие, определения)

Списък на използваната литература

1. Wikipedia [Електронен ресурс]: Lorentz force. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Lorentz_Force

2. Wikipedia [Електронен ресурс]: Магнитохидродинамичен генератор. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Магнитохидродинамичен_генератор

3. Wikipedia [Електронен ресурс]: Електронно-лъчеви устройства. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Електронно-лъчеви_устройства

4. Wikipedia [Електронен ресурс]: Масспектрометрия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Масова спектрометрия

5. Ядрена физикав Интернет [Електронен ресурс]: Циклотрон. URL: http://nuclphys.sinp.msu.ru/experiment/accelerators/ciclotron.htm

6. Електронен учебник по физика [Електронен ресурс]: Т. Приложения на силата на Лоренц // URL: http://www.physbook.ru/index.php/ Т. Приложения на силата на Лоренц

7. Академик [Електронен ресурс]: Магнитохидродинамичен генератор // URL: http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/MAGNETOHYDRODYNAMIC

©2015-2019 сайт
Всички права принадлежат на техните автори. Този сайт не претендира за авторство, но предоставя безплатно използване.
Дата на създаване на страницата: 2017-03-31