Laetud osakesele mõjuv Lorentzi jõud. Mis on Lorentzi jõud, mis on selle jõu suurus ja suunad

HARIDUS- JA TEADUSMINISTEERIUM

VENEMAA FÖDERATSIOON

Föderaalosariigi EELARVEST KÄSITLEV KÕRGHARIDUSASUTUS

"KURGANI RIIKÜLIKOOL"

ABSTRAKTNE

Õppeaines "Füüsika" Teema: "Lorentzi jõu rakendamine"

Lõpetanud: T-10915 rühma õpilane Logunova M.V.

Õpetaja Vorontsov B.S.

Kurgan 2016

Sissejuhatus 3

1. Lorentzi jõu kasutamine 4

1.1. Elektronkiire seadmed 4

1.2 Massispektromeetria 5

1,3 MHD generaator 7

1.4 Cyclotron 8

Järeldus 10

Viited 11

Sissejuhatus

Lorentzi jõud- jõud, millega elektromagnetväli klassikalise (mitte-kvant)elektrodünaamika järgi mõjub punktlaenguga osakesele. Mõnikord nimetatakse Lorentzi jõudu jõuks, mis mõjub liikuvale objektile kiirusega υ tasu q ainult magnetvälja küljelt, sageli täisjõud- küljelt elektro magnetväliüldiselt ehk elektrilise poole pealt E immagnetiline B väljad.

Rahvusvahelises mõõtühikute süsteemis (SI) väljendatakse seda järgmiselt:

F L = qυ B sin α

See on nime saanud Hollandi füüsiku Hendrik Lorentzi järgi, kes tuletas selle jõu väljendi 1892. aastal. Kolm aastat enne Lorenzi leidis õige väljendi O. Heaviside.

Lorentzi jõu makroskoopiline ilming on Ampere jõud.

Kasutades Lorentzi jõudu

Magnetvälja mõju liikuvatele laetud osakestele on tehnikas väga laialdaselt kasutusel.

Lorentzi jõu (täpsemalt selle erijuhtumi - Ampere jõu) peamine rakendus on elektrimasinad (elektrimootorid ja generaatorid). Lorentzi jõudu kasutatakse laialdaselt elektroonikaseadmetes, et mõjutada laetud osakesi (elektronid ja mõnikord ka ioonid), näiteks televisioonis. elektronkiiretorud, V massispektromeetria Ja MHD generaatorid.

Ka praegu loodud eksperimentaalsed rajatised Kontrollitud termotuumareaktsiooni läbiviimiseks kasutatakse plasma magnetvälja mõju, mille abil keeratakse see nööriks, mis ei puuduta töökambri seinu. Laetud osakeste ringikujulist liikumist ühtlases magnetväljas ja sellise liikumise perioodi sõltumatust osakeste kiirusest kasutatakse laetud osakeste tsüklilistes kiirendites - tsüklotronid.

1. Elektronkiire seadmed

Elektronkiirseadmed (EBD) on vaakumelektrooniliste seadmete klass, mis kasutavad elektronide voogu, mis on kontsentreeritud ühe kiire või kiirte kujul ja mida juhitakse nii intensiivsuse (voolu) kui ka asukoha poolest ruumis ning mis toimivad seadme statsionaarne ruumiline sihtmärk (ekraan). ELP-i peamiseks rakendusalaks on optilise informatsiooni muundamine elektrilisteks signaalideks ja elektrisignaali vastupidine muundamine optiliseks signaaliks – näiteks nähtavaks telepildiks.

Katoodkiirseadmete klassi ei kuulu röntgenlambid, fotoelemendid, fotokordistid, gaaslahendusseadmed (dekatronid) ning vastuvõtvad ja võimendavad elektronlambid (kiirtetroodid, elektrilised vaakumindikaatorid, sekundaarse emissiooniga lambid jne). voolude kiirkuju.

Elektronkiire seade koosneb vähemalt kolmest põhiosast:

Elektrooniline prožektor (püstol) moodustab elektronkiire (või kiirtekiire, näiteks kolm kiirt värvilises pilditorus) ja juhib selle intensiivsust (voolu);

Paindesüsteem kontrollib kiire ruumilist asendit (selle kõrvalekalle prožektori teljest);

Vastuvõtva ELP sihtmärk (ekraan) muundab kiire energia nähtava kujutise valgusvooks; edastava või salvestava ELP sihtmärk kogub ruumilise potentsiaali reljeefi, mida loeb skaneeriv elektronkiir

CRT-silindris luuakse sügav vaakum. Elektronkiire loomiseks kasutatakse seadet, mida nimetatakse elektronkahuriks. Hõõgniidi poolt kuumutatud katood kiirgab elektrone. Juhtelektroodi (modulaatori) pinget muutes saate muuta elektronkiire intensiivsust ja vastavalt ka pildi heledust. Pärast püstolist lahkumist kiirendatakse elektrone anood. Järgmisena läbib tala läbipaindesüsteemi, mis võib muuta tala suunda. Televiisori kineskooptorud kasutavad magnetilist kõrvalekaldesüsteemi, kuna see tagab suured läbipaindenurgad. Oscillograafilised CRT-d kasutavad elektrostaatilist läbipaindesüsteemi, kuna see tagab suurema jõudluse. Elektronkiir tabab fosforiga kaetud ekraani. Elektronidest pommitades luminofoor helendab ja kiiresti liikuv muutuva heledusega koht loob ekraanile pildi.

2 Massispektromeetria

Massispektromeetria(massispektroskoopia, massispektrograafia, massispektrograafia, massispektromeetriline analüüs) - aine uurimise meetod, mis põhineb huvipakkuvate proovikomponentide ioniseerimisel tekkinud ioonide massi ja laengu suhte määramisel. Üks võimsamaid viise ainete kvalitatiivseks tuvastamiseks, mis võimaldab ka kvantitatiivset määramist. Võime öelda, et massispektromeetria on proovis olevate molekulide “kaalumine”.

Kõige lihtsama massispektrograafi diagramm on näidatud joonisel 2.

Kambris 1, millest õhk on välja pumbatud, on iooniallikas 3. Kamber asetatakse ühtlasesse magnetvälja, mille igas punktis on induktsioon B⃗B→ joonise tasapinnaga risti ja suunatud suunas. meile (joonisel 1 on see väli tähistatud ringidega). Elektroodide A ja B vahele rakendatakse kiirenduspinget, mille mõjul allikast eralduvad ioonid kiirenevad ja teatud kiirusel sisenevad induktsioonijoontega risti magnetvälja. Liikudes magnetväljas mööda ringkaarte, langevad ioonid fotoplaadile 2, mis võimaldab määrata selle kaare raadiuse R. Teades magnetvälja induktsiooni B ja ioonide kiirust υ, valemi järgi

(1)

saab määrata ioonide erilaengu. Ja kui iooni laeng on teada, saab selle massi arvutada.

Massispektromeetria ajalugu ulatub tagasi J. J. Thomsoni 20. sajandi alguse põhjapanevatesse katsetesse. Lõpp "-meetria" meetodi nimes ilmus pärast laialdast üleminekut laetud osakeste tuvastamiselt fotoplaatide abil ioonvoolude elektrilistele mõõtmistele.

Eriti lai rakendus massispektromeetria leiud analüüsis orgaaniline aine, kuna see võimaldab usaldusväärselt tuvastada nii suhteliselt lihtsaid kui ka keerukaid molekule. Ainuke asi üldine nõue- et molekuli saaks ioniseerida. Nüüdseks on see aga leiutatud

Proovikomponentide ioniseerimiseks on nii palju võimalusi, et massispektromeetriat võib pidada peaaegu kõikehõlmavaks meetodiks.

3 MHD generaator

MHD-generaatori, nagu ka tavalise masingeneraatori, tööpõhimõte põhineb elektromagnetilise induktsiooni nähtusel, st voolu tekkimisel magnetvälja jooni ületavas juhis. Erinevalt masinageneraatoritest on MHD-generaatori juhiks töövedelik ise.

Töövedelik liigub üle magnetvälja ja magnetvälja mõjul tekivad vastupidise märgiga laengukandjate vastassuunalised voolud.

Lorentzi jõud mõjub laetud osakesele.

MHD generaatori töövedelikuna võivad olla järgmised kandjad:

Esimesed MHD generaatorid kasutasid töövedelikuna elektrit juhtivaid vedelikke (elektrolüüte). Praegu kasutatakse plasmat, milles laengukandjateks on peamiselt vabad elektronid ja positiivsed ioonid. Magnetvälja mõjul kalduvad laengukandjad kõrvale trajektoorist, mida mööda gaas välja puudumisel liiguks. Sellisel juhul võib tugevas magnetväljas tekkida Halli väli (vt Halli efekt) - elektriväli, mis tekib laetud osakeste kokkupõrgete ja nihkumiste tulemusena magnetväljaga risti asetsevas tasapinnas.

4 Cyclotron

Tsüklotroon on mitterelativistlike raskete laetud osakeste (prootonite, ioonide) resonantstsükliline kiirendi, milles osakesed liiguvad konstantses ja ühtlases magnetväljas ning nende kiirendamiseks kasutatakse konstantse sagedusega kõrgsageduslikku elektrivälja.

Tsüklotroni elektriskeem on näidatud joonisel 3. Raske laenguga osakesed (prootonid, ioonid) sisenevad kambri keskkoha lähedal asuvast injektorist kambrisse ja neid kiirendatakse muutuv väli fikseeritud sagedus, mida rakendatakse kiirenduselektroodidele (neid on kaks ja neid nimetatakse deeks). Osakesed laenguga Ze ja massiga m liiguvad konstantses magnetväljas intensiivsusega B, mis on suunatud osakeste liikumistasandiga risti, lahtikerivas spiraalis. Kiirusega v osakese trajektoori raadius R määratakse valemiga

Tsüklotronis on konstantses ja ühtlases magnetväljas mitterelativistliku (γ ≈ 1) osakese orbitaalraadius võrdeline kiirusega (1) ja mitterelativistliku osakese pöörlemissagedusega (tsüklotroni sagedus ei sõltu osakeste energia

(2)

Spiraali viimasel pöördel, kõrvalekaldumine elektriväli, tuues tala välja. Magnetvälja püsivus ja kiirendusvälja sagedus võimaldavad pidevat kiirendust. Kui mõned osakesed liiguvad mööda spiraali välimisi pöördeid, siis teised on tee keskel ja teised alles hakkavad liikuma.

Tsüklotroni puuduseks on piiratus osakeste sisuliselt mitterelativistlike energiatega, kuna isegi mitte väga suured relativistlikud korrektsioonid (γ kõrvalekalded ühtsusest) rikuvad erinevatel pööretel kiirenduse sünkroonsust ja oluliselt suurenenud energiaga osakestel ei ole enam aega satuvad kiirenduseks vajaliku elektrivälja faasis dee vahesse . Tavalistes tsüklotronites saab prootoneid kiirendada 20-25 MeV-ni.

Raskete osakeste kiirendamiseks lahtikerivas spiraalrežiimis kümneid kordi suuremate energiateni (kuni 1000 MeV) on tsüklotroni modifikatsioon nn. isokroonne(relativistlik) tsüklotron, samuti fasotron. Isokroonsetes tsüklotronites kompenseeritakse relativistlikud efektid magnetvälja radiaalse suurenemisega.

Järeldus

Peidetud tekst

Kirjalik järeldus (kõige elementaarsem esimese jaotise kõigi lõikude jaoks – tegevuspõhimõtted, määratlused)

Kasutatud kirjanduse loetelu

Wikipedia [Elektrooniline ressurss]: Lorentzi jõud. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Lorentz_Force

Wikipedia [Elektrooniline ressurss]: Magnetohüdrodünaamiline generaator. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Magnetohydrodynamic_generator

Wikipedia [Elektrooniline ressurss]: elektronkiire seadmed. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Electron-beam_devices

Wikipedia [Elektrooniline ressurss]: Massispektromeetria. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Massispektromeetria

Tuumafüüsika Internetis [Elektrooniline ressurss]: Cyclotron. URL: http://nuclphys.sinp.msu.ru/experiment/accelerators/ciclotron.htm

Elektrooniline füüsikaõpik [Elektrooniline ressurss]: T. Lorentzi jõu rakendused //URL: http://www.physbook.ru/index.php/ T. Lorentzi jõu rakendused

Akadeemik [Elektrooniline ressurss]: Magnetohüdrodünaamiline generaator //URL: http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/MAGNETOHYDRODYNAMIC

Ampere võimsus, mis toimib juhi segmendile pikkusega Δ l voolutugevusega I, mis asub magnetväljas B,

Ampere jõu avaldise saab kirjutada järgmiselt:

Seda jõudu nimetatakse Lorentzi jõud . Nurk α selles avaldises on võrdne kiiruse ja vahelise nurgaga magnetinduktsiooni vektor Positiivselt laetud osakesele mõjuva Lorentzi jõu suuna, samuti amprijõu suuna saab leida järgmiselt. vasaku käe reegel või poolt kere reegel. Vektorite ja positiivselt laetud osakese suhteline asukoht on näidatud joonisel fig. 1.18.1.

Lorentzi jõud on suunatud risti vektoritega ja

Kui laetud osake liigub magnetväljas, siis Lorentzi jõud ei tööta. Seetõttu osakese liikumisel kiirusvektori suurus ei muutu.

Kui laetud osake liigub Lorentzi jõu mõjul ühtlases magnetväljas ja selle kiirus on vektoriga risti asetseval tasapinnal, siis osake liigub raadiusega ringis.

Osakese pöördeperiood ühtlases magnetväljas on võrdne

helistas tsüklotroni sagedus . Tsüklotroni sagedus ei sõltu osakese kiirusest (ja seega ka kineetilisest energiast). Seda asjaolu kasutatakse tsüklotronid – raskete osakeste (prootonid, ioonid) kiirendajad. Skemaatiline diagramm tsüklotron on näidatud joonisel fig. 1.18.3.

Tugeva elektromagneti pooluste vahele asetatakse vaakumkamber, milles on kaks elektroodi õõnsate metallist poolsilindrite kujul ( dees ). Deesidele rakendatakse vahelduv elektripinge, mille sagedus on võrdne tsüklotroni sagedusega. Laetud osakesed süstitakse vaakumkambri keskele. Osakesi kiirendab deeside vahelises pilus tekkiv elektriväli. Deeside sees liiguvad osakesed Lorentzi jõu mõjul poolringidena, mille raadius suureneb osakeste energia kasvades. Iga kord, kui osake lendab läbi dee vahelise pilu, kiirendab seda elektriväli. Seega kiirendab tsüklotronis, nagu ka kõigis teistes kiirendites, laetud osakest elektriväli ja hoiab oma trajektooril magnetväli. Tsüklotronid võimaldavad kiirendada prootoneid energiani, mis on suurusjärgus 20 MeV.

Ühtseid magnetvälju kasutatakse paljudes seadmetes ja eriti nendes massispektromeetrid – seadmed, millega saab mõõta laetud osakeste – erinevate aatomite ioonide või tuumade – masse. Eraldamiseks kasutatakse massispektromeetrit isotoobid st sama laenguga, kuid erineva massiga aatomituumad (näiteks 20 Ne ja 22 Ne). Lihtsaim massispektromeeter on näidatud joonisel fig. 1.18.4. Ioonid põgenevad allikast S, läbivad mitu väikest auku, moodustades kitsa tala. Siis nad sisenevad kiiruse valija , milles osakesed liiguvad sisse ristuvad homogeensed elektri- ja magnetväljad. Lamekondensaatori plaatide vahele tekib elektriväli, elektromagneti pooluste vahesse tekib magnetväli. Laetud osakeste algkiirus on suunatud vektoritega risti ja

Ristunud elektri- ja magnetväljas liikuvale osakesele mõjub elektrijõud ja magnetiline Lorentzi jõud. Arvestades seda E = υ B need jõud tasakaalustavad üksteist täpselt. Kui see tingimus on täidetud, liigub osake ühtlaselt ja sirgjooneliselt ning pärast kondensaatorist lendamist läbib ekraani ava. Antud elektri- ja magnetvälja väärtuste korral valib valija osakesed, mis liiguvad kiirusega υ = E / B.

Järgmisena sisenevad massispektromeetri kambrisse sama kiiruse väärtusega osakesed, milles tekib ühtlane magnetväli Osakesed liiguvad kambris Lorentzi jõu mõjul magnetväljaga risti olevas tasapinnas. Osakeste trajektoorid on raadiusega ringid R = mυ / qB". Trajektooride raadiuste mõõtmine teadaolevate väärtuste υ ja B" suhet saab määrata q / m. Isotoopide puhul ( q 1 = q 2) massispektromeeter võimaldab eraldada erineva massiga osakesi.

Kaasaegsed massispektromeetrid võimaldavad mõõta laetud osakeste masse täpsusega üle 10–4.

Kui osakese kiirusel on komponent piki magnetvälja suunda, siis selline osake liigub ühtlases magnetväljas spiraalselt. Sel juhul spiraali raadius R sõltub vektori magnetväljaga risti oleva komponendi moodulist υ ┴ ja spiraali sammust lk– pikikomponendi moodulist υ || (joonis 1.18.5).

Seega näib, et laetud osakese trajektoor keerleb ümber magnetilise induktsiooni joone. Seda nähtust kasutatakse tehnoloogias kõrge temperatuuriga plasma magnetiline soojusisolatsioon, st täielikult ioniseeritud gaas, mille temperatuur on suurusjärgus 10 6 K. Sellises olekus aine saadakse Tokamaki tüüpi paigaldistes kontrollitud termotuumareaktsioonide uurimisel. Plasma ei tohiks kambri seintega kokku puutuda. Soojusisolatsioon saavutatakse spetsiaalse konfiguratsiooniga magnetvälja loomisega. Näitena joonisel fig. 1.18.6 näitab laetud osakese trajektoori sisse magnetiline "pudel"(või lõksus ).

Sarnane nähtus esineb ka Maa magnetväljas, mis kaitseb kõiki elusolendeid kosmosest tulevate laetud osakeste voogude eest. Kiirelt laetud osakesed kosmosest (peamiselt Päikeselt) „püüavad kinni“ Maa magnetvälja ja moodustavad nn. kiirgusvööd (joonis 1.18.7), kus osakesed liiguvad nagu magnetpüünisteski spiraalseid trajektoore mööda põhja- ja lõunapooluse vahel sekundi murdosa aegadel edasi-tagasi. Ainult polaaraladel tungivad mõned osakesed atmosfääri ülaosadesse, põhjustades aurorasid. Maa kiirgusvööd ulatuvad suurusjärgus 500 km kuni kümnete Maa raadiusteni. Tuleb meeles pidada, et Maa lõuna magnetpoolus asub geograafilise põhjapooluse lähedal (Gröönimaa loodeosas). Maa magnetismi olemust pole veel uuritud.

Kontrollküsimused

1. Kirjeldage Oerstedi ja Ampere'i katseid.

2.Mis on magnetvälja allikas?

3. Mis on Ampere'i hüpotees, mis seletab püsimagneti magnetvälja olemasolu?

4.Mis on põhimõtteline erinevus magnetvälja ja elektrivälja vahel?

5. Sõnasta magnetinduktsiooni vektori definitsioon.

6. Miks nimetatakse magnetvälja pööriseks?

7. Sõnastage seadused:

A) Amper;

B) Bio-Savart-Laplace.

8. Kui suur on pärivooluvälja magnetinduktsiooni vektor?

9. Sõnasta voolu ühiku (amper) määratlus in Rahvusvaheline süsteemühikut.

10. Kirjutage üles kogust väljendav valem:

A) magnetinduktsiooni vektori moodul;

B) Amperjõud;

B) Lorentzi jõud;

D) osakese pöördeperiood ühtlases magnetväljas;

D) ringi kõverusraadius, kui laetud osake liigub magnetväljas;

Enesekontrolli test

Mida Oerstedi katses täheldati?

1) Kahe paralleelse juhtme koostoime vooluga.

2) Kahe magnetnõela vastastikmõju

3) Pöörake magnetnõela juhi lähedal, kui seda läbib vool.

4) Elektrivoolu ilmumine mähisesse, kui magnet on sellesse surutud.

Kuidas toimivad kaks paralleelset juhti, kui nad kannavad voolu samas suunas?

Meelitatud;

Nad lükkavad eemale;

Jõud ja jõudude moment on null.

Jõud on null, kuid jõumoment ei ole null.

Milline valem määrab amprijõu mooduli avaldise?

Milline valem määrab Lorentzi jõu mooduli avaldise?

B)

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 .

Kiirusega V elektron lendab magnetvälja, mille induktsioonimoodul B on risti magnetjoontega. Milline avaldis vastab elektroni orbiidi raadiusele?

Vastus: 1)
2)

4)

8. Kuidas muutub laetud osakese pöördeperiood tsüklotronis, kui selle kiirus kahekordistub? (V<< c).

1) Suurendada 2 korda; 2) Suurendada 2 korda;

3) Suurendada 16 korda; 4) Ei muutu.

9. Milline valem määrab ringiraadiusega R ringvoolu keskpunktis tekkiva magnetvälja induktsioonimooduli?

1)
2)
3)
4)

10. Voolutugevus mähises on võrdne I. Milline valem määrab magnetvälja induktsiooni mooduli pikkuse pooli keskel l pöörete arvuga N?

1)
2)
3)
4)

Laboratoorsed tööd nr.

Maa magnetvälja induktsiooni horisontaalkomponendi määramine.

Lühiteooria laboritöödeks.

Magnetväli on materiaalne keskkond, mis edastab nn magnetilisi vastastikmõjusid. Magnetväli on üks elektromagnetvälja avaldumisvorme.

Magnetväljade allikad on liikuvad elektrilaengud, voolu juhtivad juhid ja vahelduvad elektriväljad. Liikuvate laengute (voolude) tekitatud magnetväli toimib omakorda ainult liikuvatele laengutele (vooludele), kuid ei avalda mõju statsionaarsetele laengutele.

Magnetvälja peamine omadus on magnetilise induktsiooni vektor :

Magnetilise induktsiooni vektori suurus on arvuliselt võrdne maksimaalse jõuga, mis mõjub magnetväljast ühikupikkusele juhile, mida läbib ühikulise tugevusega vool. Vektor moodustab jõuvektori ja voolu suunaga parempoolse kolmiku. Seega on magnetinduktsioon magnetväljale iseloomulik jõud.

Magnetinduktsiooni SI ühik on Tesla (T).

Magnetvälja jooned on mõttelised jooned, mille igas punktis langevad puutujad kokku magnetinduktsiooni vektori suunaga. Magnetjõujooned on alati suletud ega ristu kunagi.

Ampere'i seadus määrab magnetvälja jõu mõju voolu juhtivale juhile.

Kui induktsiooniga magnetväljas asetatakse voolu juhtiv juht, seejärel iga voolusuunaline element juhile mõjub seosega määratud amprijõud

Amperjõu suund langeb kokku vektori korrutise suunaga
, need. see on risti tasapinnaga, millel vektorid asuvad Ja (joonis 1).

Riis. 1. Määrata amprijõu suund

Kui risti , siis saab amprijõu suuna määrata vasaku käe reegliga: suunata neli väljasirutatud sõrme piki voolu, asetada peopesa jõujoontega risti, siis pöial näitab amprijõu suunda. Ampere'i seadus on magnetinduktsiooni definitsiooni aluseks, s.o. seos (1) tuleneb valemist (2), mis on kirjutatud skalaarkujul.

Lorentzi jõud on jõud, millega elektromagnetväli mõjutab selles väljas liikuvat laetud osakest. Lorentzi jõuvalemi sai esmakordselt G. Lorentz kogemuste üldistamise tulemusena ja sellel on vorm:

Kus
– elektriväljas laetud osakesele intensiivsusega mõjuv jõud ;
– magnetväljas laetud osakesele mõjuv jõud.

Lorentzi jõu magnetkomponendi valemi saab Ampere'i seadusest, võttes arvesse, et vool on elektrilaengute järjestatud liikumine. Kui magnetväli ei mõjutaks liikuvaid laenguid, ei avaldaks see voolu juhtivale juhile mingit mõju. Lorentzi jõu magnetilise komponendi määrab avaldis:

See jõud on suunatud risti tasapinnaga, millel asuvad kiirusvektorid ja magnetvälja induktsioon ; selle suund langeb kokku vektorkorrutise suunaga
Sest q > 0 ja suunaga
Sest q>0 (joonis 2).

Riis. 2. Määrata Lorentzi jõu magnetkomponendi suund

Kui vektor vektoriga risti , siis saab Lorentzi jõu magnetkomponendi suuna positiivselt laetud osakeste puhul leida vasaku käe reegli abil ja negatiivselt laetud osakeste puhul reeglit kasutades parem käsi. Kuna Lorentzi jõu magnetkomponent on alati suunatud kiirusega risti , siis ei tee see osakese liigutamiseks mingit tööd. See saab muuta ainult kiiruse suunda , painutada osakese trajektoori, s.o. toimivad tsentripetaalse jõuna.

Magnetväljade arvutamiseks kasutatakse Biot-Savart-Laplace'i seadust (definitsioonid ), mille tekitavad voolu kandvad juhid.

Biot-Savart-Laplace'i seaduse järgi juhi iga voolusuunaline element loob kaugel asuvas punktis sellest elemendist tekib magnetväli, mille induktsiooni määrab seos:

Kus
H/m – magnetkonstant; µ – kandja magnetiline läbilaskvus.

Riis. 3. Biot-Savart-Laplace'i seaduse poole

Suund
langeb kokku vektori korrutise suunaga
, st.
risti tasapinnaga, millel vektorid asuvad Ja . Samaaegselt
on puutuja jõujoonega, mille suuna saab määrata kardaani reegliga: kui kardaani otsa translatsiooniline liikumine on suunatud piki voolu, siis määrab käepideme pöörlemissuund magnetvälja joon (joonis 3).

Kogu juhi loodud magnetvälja leidmiseks peate rakendama välja superpositsiooni põhimõtet:

Näiteks arvutame magnetilise induktsiooni ringvoolu keskpunktis (joonis 4).

Riis. 4. Ringvoolu keskpunktis oleva välja arvutamise suunas

Ringvoolu jaoks
Ja
, seetõttu on relatsioonil (5) skalaarkujul vorm:

Koguvooluseadus (magnetilise induktsiooni tsirkulatsiooni teoreem) on teine ​​​​magnetväljade arvutamise seadus.

Vaakumi magnetvälja koguvooluseadus on järgmine:

Kus B l – projektsioon juhi elemendi kohta , mis on suunatud piki voolu.

Magnetilise induktsiooni vektori tsirkulatsioon piki mis tahes suletud ahelat võrdub magnetkonstandi ja selle ahelaga hõlmatud voolude algebralise summa korrutisega.

Ostrogradsky-Gaussi teoreem magnetvälja kohta on järgmine:

Kus B n – vektorprojektsioon normaalseks saidile dS.

Magnetilise induktsiooni vektori voog läbi suvalise suletud pinna on null.

Magnetvälja olemus tuleneb valemitest (9), (10).

Potentsiaalsuse tingimus elektriväli on pingevektori tsirkulatsiooni võrdsus nulliga
.

Potentsiaalne elektriväli tekib statsionaarsete elektrilaengute poolt; põllujooned ei ole suletud, need algavad kell positiivsed laengud ja lõpetada negatiivsetega.

Valemist (9) näeme, et magnetväljas erineb magnetilise induktsiooni vektori tsirkulatsioon nullist, seega pole magnetväli potentsiaalne.

Seosest (10) järeldub, et potentsiaalseid magnetvälju tekitavaid magnetlaenguid ei eksisteeri. (Elektrostaatikas hõõgub sarnane teoreem kujul
.

Magnetilised jõujooned sulguvad ise. Sellist välja nimetatakse keeriseväljaks. Seega on magnetväli keerisväli. Väljajoonte suund määratakse gimleti reegliga. Sirge, lõpmatult pika voolu kandva juhi puhul on jõujooned juhti ümbritsevate kontsentriliste ringidena (joonis 3).

Koos amprijõu, Coulombi interaktsiooni ja elektromagnetväljadega kohtab füüsikas sageli ka Lorentzi jõu mõistet. See nähtus on elektrotehnika ja elektroonika ning teiste kõrval üks põhilisi nähtusi. See mõjutab laenguid, mis liiguvad magnetväljas. Selles artiklis uurime lühidalt ja selgelt, mis on Lorentzi jõud ja kus seda rakendatakse.

Definitsioon

Kui elektronid liiguvad mööda juhti, tekib selle ümber magnetväli. Samal ajal, kui asetate juhi ristsuunalisesse magnetvälja ja liigutate seda, tekib elektromagnetilise induktsiooni emf. Kui vool liigub läbi magnetväljas paikneva juhi, mõjub sellele amprijõud.

Selle väärtus sõltub voolavast voolust, juhi pikkusest, magnetinduktsiooni vektori suurusest ning magnetvälja joonte ja juhi vahelise nurga siinusest. See arvutatakse järgmise valemi abil:

Vaadeldav jõud on osaliselt sarnane eelpool käsitletule, kuid ei mõju mitte juhile, vaid magnetväljas liikuvale laetud osakesele. Valem näeb välja selline:

Tähtis! Lorentzi jõud (Fl) mõjub magnetväljas liikuvale elektronile ja juhile - Amper.

Kahest valemist on selge, et nii esimesel kui ka teisel juhul on nurga alfa siinus lähemal 90 kraadile, seda suurem on vastavalt Fa või Fl mõju juhile või laengule.

Niisiis, Lorentzi jõud ei iseloomusta mitte kiiruse muutust, vaid magnetvälja mõju laetud elektronile või positiivsele ioonile. Nendega kokku puutudes ei tee Fl mingit tööd. Sellest tulenevalt muutub laetud osakese kiiruse suund, mitte selle suurus.

Mis puudutab Lorentzi jõu mõõtühikut, siis nagu ka teiste füüsika jõudude puhul, kasutatakse sellist suurust nagu Newton. Selle komponendid:

Kuidas on Lorentzi jõud suunatud?

Lorentzi jõu suuna määramiseks, nagu ka Ampere'i jõu puhul, töötab vasaku käe reegel. See tähendab, et Fl väärtuse mõistmiseks peate avama vasaku käe peopesa nii, et magnetinduktsiooni jooned siseneksid teie kätte ja välja sirutatud neli sõrme näitavad kiirusvektori suunda. Seejärel näitab peopesa suhtes täisnurga all painutatud pöial Lorentzi jõu suunda. Alloleval pildil näete, kuidas suunda määrata.

Tähelepanu! Lorentzi toime suund on osakeste liikumise ja magnetilise induktsiooni joontega risti.

Sel juhul on see positiivselt ja negatiivselt laetud osakeste puhul oluline suund neli sõrmed laiali. Eespool kirjeldatud vasaku käe reegel on sõnastatud positiivse osakese jaoks. Kui see on negatiivselt laetud, peaksid magnetinduktsiooni jooned olema suunatud mitte avatud peopesa, vaid selle selja poole ja vektori Fl suund on vastupidine.

Nüüd me räägime lihtsate sõnadega, mida see nähtus meile annab ja milline on selle tegelik mõju tasudele. Oletame, et elektron liigub tasapinnal, mis on risti magnetinduktsiooni joonte suunaga. Oleme juba maininud, et Fl ei mõjuta kiirust, vaid muudab ainult osakeste liikumise suunda. Siis on Lorentzi jõul tsentripetaalne mõju. See kajastub alloleval joonisel.

Rakendus

Kõigist piirkondadest, kus Lorentzi jõudu kasutatakse, on üks suuremaid osakeste liikumine Maa magnetväljas. Kui pidada meie planeeti suureks magnetiks, siis põhjapoolsete magnetpooluste lähedal asuvad osakesed liiguvad kiirendatud spiraalina. Selle tulemusena põrkuvad nad atmosfääri ülemiste kihtide aatomitega ja me näeme virmalisi.

Siiski on ka teisi juhtumeid, kus see nähtus kehtib. Näiteks:

• Elektronkiiretorud. Nende elektromagnetilistes läbipaindesüsteemides. CRT-sid on kasutatud enam kui 50 aastat järjest erinevates seadmetes, alates lihtsaimast ostsilloskoobist ja lõpetades teleritega. erinevad vormid ja suurused. On uudishimulik, et värvide taasesitamise ja graafikaga töötamise puhul kasutavad mõned endiselt CRT-kuvareid.
• Elektrimasinad – generaatorid ja mootorid. Kuigi siin tegutseb tõenäolisemalt Ampere jõud. Kuid neid koguseid võib pidada külgnevateks. Seda aga keerukad seadmed mille töö käigus täheldatakse paljude füüsikaliste nähtuste mõju.
• Laetud osakeste kiirendites nende orbiitide ja suundade määramiseks.

Järeldus

Teeme selle artikli neli põhipunkti lihtsas keeles kokku ja kirjeldame neid:

1. Lorentzi jõud mõjutab laetud osakesi, mis liiguvad magnetväljas. See tuleneb põhivalemist.
2. See on otseselt võrdeline laetud osakese ja magnetilise induktsiooni kiirusega.
3. Ei mõjuta osakeste kiirust.
4. Mõjutab osakese suunda.

Selle roll on "elektrivaldkonnas" üsna suur. Spetsialist ei tohiks unustada põhiteoreetilist teavet füüsikaliste põhiseaduste kohta. Need teadmised on kasulikud, samuti neile, kes tegelevad teaduslik töö, disain ja lihtsalt üldiseks arendamiseks.

Nüüd teate, mis on Lorentzi jõud, millega see on võrdne ja kuidas see laetud osakestele mõjub. Kui teil on küsimusi, küsige neid artikli all olevates kommentaarides!

Materjalid

ABSTRAKTNE

Õppeaines "Füüsika"
Teema: "Lorentzi jõu rakendamine"

Lõpetanud: Rühma T-10915 õpilane Logunova M.V.

Õpetaja Vorontsov B.S.

Kurgan 2016

Sissejuhatus. 3

1. Lorentzi jõu kasutamine. 4

.. 4

1. 2 Massispektromeetria. 6

1. 3 MHD generaator. 7

1. 4 Cyclotron. 8

Järeldus. üksteist

Kasutatud kirjanduse loetelu... 13

Sissejuhatus

Lorentzi jõud- jõud, millega elektromagnetväli klassikalise (mitte-kvant)elektrodünaamika järgi mõjub punktlaenguga osakesele. Mõnikord nimetatakse Lorentzi jõudu jõuks, mis mõjub liikuvale objektile kiirusega υ tasu q ainult magnetvälja küljelt, sageli täistugevusel - üldiselt elektromagnetvälja küljelt, teisisõnu elektrivälja poolelt E ja magnetiline B väljad.

Rahvusvahelises mõõtühikute süsteemis (SI) väljendatakse seda järgmiselt:

F L = q υ B sin α

See on nime saanud Hollandi füüsiku Hendrik Lorentzi järgi, kes tuletas selle jõu väljendi 1892. aastal. Kolm aastat enne Lorenzi leidis õige väljendi O. Heaviside.

Lorentzi jõu makroskoopiline ilming on Ampere jõud.

Kasutades Lorentzi jõudu

Magnetvälja mõju liikuvatele laetud osakestele on tehnikas väga laialdaselt kasutusel.

Lorentzi jõu (täpsemalt selle erijuhtumi - Ampere jõu) peamine rakendusala on elektrimasinad (elektrimootorid ja generaatorid). Lorentzi jõudu kasutatakse laialdaselt elektroonikaseadmetes, et mõjutada laetud osakesi (elektronid ja mõnikord ka ioonid), näiteks televisioonis. elektronkiiretorud , V massispektromeetria Ja MHD generaatorid.

Samuti kasutatakse praegu kontrollitud termotuumareaktsiooni läbiviimiseks loodud eksperimentaalsetes installatsioonides plasma magnetvälja mõju, et see keerata nööriks, mis ei puuduta töökambri seinu. Laetud osakeste ringikujulist liikumist ühtlases magnetväljas ja sellise liikumise perioodi sõltumatust osakeste kiirusest kasutatakse laetud osakeste tsüklilistes kiirendites - tsüklotronid.

1. 1. Elektronkiire seadmed

Elektronkiirseadmed (EBD) on vaakumelektrooniliste seadmete klass, mis kasutavad elektronide voogu, mis on kontsentreeritud ühe kiire või kiirte kujul ja mida juhitakse nii intensiivsuse (voolu) kui ka asukoha poolest ruumis ning mis toimivad seadme statsionaarne ruumiline sihtmärk (ekraan). ELP-i peamiseks rakendusalaks on optilise informatsiooni muundamine elektrilisteks signaalideks ja elektrisignaali vastupidine muundamine optiliseks signaaliks – näiteks nähtavaks telepildiks.

Katoodkiirseadmete klassi ei kuulu röntgenlambid, fotoelemendid, fotokordistid, gaaslahendusseadmed (dekatronid) ning vastuvõtvad ja võimendavad elektronlambid (kiirtetroodid, elektrilised vaakumindikaatorid, sekundaarse emissiooniga lambid jne). voolude kiirkuju.

Elektronkiire seade koosneb vähemalt kolmest põhiosast:

· Elektrooniline prožektor (püstol) moodustab elektronkiire (või kiirte kiire, näiteks kolm kiirt värvilises pilditorus) ja juhib selle intensiivsust (voolu);

· Paindesüsteem kontrollib kiire ruumilist asendit (selle kõrvalekallet prožektori teljest);

· Vastuvõtva ELP sihtmärk (ekraan) muundab kiire energia nähtava kujutise valgusvooks; edastava või salvestava ELP sihtmärk kogub ruumilise potentsiaali reljeefi, mida loeb skaneeriv elektronkiir

Seadme üldpõhimõtted.

CRT-silindris luuakse sügav vaakum. Elektronkiire loomiseks kasutati seadet nimega elektronpüstol. Hõõgniidi poolt kuumutatud katood kiirgab elektrone. Juhtelektroodi (modulaatori) pinget muutes saate muuta elektronkiire intensiivsust ja vastavalt ka pildi heledust. Pärast püstolist lahkumist kiirendatakse elektrone anood. Järgmisena läbib tala läbipaindesüsteemi, mis võib muuta tala suunda. Televiisori kineskooptorud kasutavad magnetilist kõrvalekaldesüsteemi, kuna see tagab suured läbipaindenurgad. Oscillograafilised CRT-d kasutavad elektrostaatilist läbipaindesüsteemi, kuna see tagab suurema jõudluse. Elektronkiir tabab fosforiga kaetud ekraani. Elektronidest pommitades luminofoor helendab ja kiiresti liikuv muutuva heledusega koht loob ekraanile pildi.

1. 2 Massispektromeetria

Lorentzi jõudu kasutatakse ka instrumentides, mida nimetatakse massispektrograafideks, mis on mõeldud laetud osakeste eraldamiseks vastavalt nende spetsiifilistele laengutele.

Massispektromeetria(massispektroskoopia, massispektrograafia, massispektranalüüs, massispektromeetriline analüüs) - aine uurimise meetod, mis põhineb huvipakkuvate proovikomponentide ioniseerimisel tekkinud ioonide massi ja laengu suhte määramisel. Üks võimsamaid viise ainete kvalitatiivseks tuvastamiseks, mis võimaldab ka kvantitatiivset määramist. Võime öelda, et massispektromeetria on proovis olevate molekulide “kaalumine”.

Kõige lihtsama massispektrograafi diagramm on näidatud joonisel 2.

Kambris 1, kust õhk on eemaldatud, on iooniallikas 3. Kamber asetatakse ühtlasesse magnetvälja, mille igas punktis on induktsioon B⃗ B→ joonise tasapinnaga risti ja suunatud meile (joonisel 1 on see väli tähistatud ringidega). Elektroodide A ja B vahele rakendatakse kiirenduspinget, mille mõjul allikast eralduvad ioonid kiirenevad ja teatud kiirusel sisenevad induktsioonijoontega risti magnetvälja. Liikudes magnetväljas mööda ringkaarte, langevad ioonid fotoplaadile 2, mis võimaldab määrata selle kaare raadiuse R. Teades magnetvälja induktsiooni B ja ioonide kiirust υ, valemi järgi

saab määrata ioonide erilaengu. Ja kui iooni laeng on teada, saab selle massi arvutada.

Massispektromeetria ajalugu ulatub tagasi J. J. Thomsoni 20. sajandi alguse põhjapanevatesse katsetesse. Lõpp "-meetria" meetodi nimes ilmus pärast laialdast üleminekut laetud osakeste tuvastamiselt fotoplaatide abil ioonvoolude elektrilistele mõõtmistele.

Massispektromeetriat kasutatakse eriti laialdaselt orgaaniliste ainete analüüsimisel, kuna see võimaldab usaldusväärselt tuvastada nii suhteliselt lihtsaid kui ka keerukaid molekule. Ainus üldine nõue on, et molekul peab olema ioniseeritav. Nüüdseks on see aga leiutatud

Proovikomponentide ioniseerimiseks on nii palju võimalusi, et massispektromeetriat võib pidada peaaegu kõikehõlmavaks meetodiks.

1. 3 MHD generaator

Magnetohüdrodünaamiline generaator, MHD generaator on elektrijaam, milles magnetväljas liikuva töövedeliku (vedel või gaasiline elektrit juhtiv keskkond) energia muundatakse otse elektrienergiaks.

MHD-generaatori, nagu ka tavalise masingeneraatori, tööpõhimõte põhineb elektromagnetilise induktsiooni nähtusel, st voolu tekkimisel juhis, mis ületab magnetvälja jooni. Erinevalt masinageneraatoritest on MHD-generaatori juhiks töövedelik ise.

Töövedelik liigub üle magnetvälja ja magnetvälja mõjul tekivad vastupidise märgiga laengukandjate vastassuunalised voolud.

Lorentzi jõud mõjub laetud osakesele.

MHD generaatori töövedelikuna võivad olla järgmised kandjad:

· elektrolüüdid;

· vedelad metallid;

· plasma (ioniseeritud gaas).

Esimesed MHD generaatorid kasutasid töövedelikuna elektrit juhtivaid vedelikke (elektrolüüte). Praegu kasutatakse plasmat, milles laengukandjateks on peamiselt vabad elektronid ja positiivsed ioonid. Magnetvälja mõjul kalduvad laengukandjad kõrvale trajektoorist, mida mööda gaas välja puudumisel liiguks. Sellisel juhul võib tugevas magnetväljas tekkida Halli väli (vt Halli efekt) - elektriväli, mis tekib laetud osakeste kokkupõrgete ja nihkumiste tulemusena magnetväljaga risti asetsevas tasapinnas.

1. 4 Cyclotron

Tsüklotroon on mitterelativistlike raskete laetud osakeste (prootonite, ioonide) resonantstsükliline kiirendi, milles osakesed liiguvad konstantses ja ühtlases magnetväljas ning nende kiirendamiseks kasutatakse konstantse sagedusega kõrgsageduslikku elektrivälja.

Tsüklotroni elektriskeem on näidatud joonisel 3. Rasked laetud osakesed (prootonid, ioonid) sisenevad kambrisse kambri keskkoha lähedal asuvast injektorist ja neid kiirendab kiirenduselektroodidele (neid on kaks ja neid nimetatakse deeks) rakendatud fikseeritud sagedusega vahelduvväli. Osakesed laenguga Ze ja massiga m liiguvad konstantses magnetväljas intensiivsusega B, mis on suunatud osakeste liikumistasandiga risti, lahtikerivas spiraalis. Kiirusega v osakese trajektoori raadius R määratakse valemiga

kus γ = -1/2 on relativistlik tegur.

Tsüklotronis on konstantses ja ühtlases magnetväljas mitterelativistliku (γ ≈ 1) osakese orbitaalraadius võrdeline kiirusega (1) ja mitterelativistliku osakese pöörlemissagedusega (tsüklotroni sagedus ei sõltu osakeste energia

Deeside vahelises pilus kiirendatakse osakesi impulss-elektrivälja toimel (õõnesmetallist deeside sees elektriväli puudub). Selle tulemusena suureneb orbiidi energia ja raadius. Korrates igal pöördel kiirendust elektrivälja võrra, viiakse orbiidi energia ja raadius maksimaalsete lubatud väärtusteni. Sel juhul omandavad osakesed kiiruse v = ZeBR/m ja vastava energia:

Spiraali viimasel pöördel lülitatakse sisse kõrvalesuunav elektriväli, mis viib kiire välja. Magnetvälja püsivus ja kiirendusvälja sagedus võimaldavad pidevat kiirendust. Kui mõned osakesed liiguvad mööda spiraali välimisi pöördeid, siis teised on tee keskel ja teised alles hakkavad liikuma.

Tsüklotroni puuduseks on piiratus osakeste sisuliselt mitterelativistlike energiatega, kuna isegi mitte väga suured relativistlikud korrektsioonid (γ kõrvalekalded ühtsusest) rikuvad erinevatel pööretel kiirenduse sünkroonsust ja oluliselt suurenenud energiaga osakestel ei ole enam aega satuvad kiirenduseks vajaliku elektrivälja faasis dee vahesse . Tavalistes tsüklotronites saab prootoneid kiirendada 20-25 MeV-ni.

Raskete osakeste kiirendamiseks lahtikerivas spiraalrežiimis kümneid kordi suuremate energiateni (kuni 1000 MeV) on tsüklotroni modifikatsioon nn. isokroonne(relativistlik) tsüklotron, samuti fasotron. Isokroonsetes tsüklotronites kompenseeritakse relativistlikud efektid magnetvälja radiaalse suurenemisega.

Järeldus

Peidetud tekst

Kirjalik järeldus (kõige elementaarsem esimese jaotise kõigi lõikude jaoks – tegevuspõhimõtted, määratlused)

Kasutatud kirjanduse loetelu

1. Wikipedia [Elektrooniline ressurss]: Lorentzi jõud. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Lorentz_Force

2. Wikipedia [Elektrooniline ressurss]: Magnetohüdrodünaamiline generaator. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Magnetohydrodynamic_generator

3. Wikipedia [Elektrooniline ressurss]: Elektronkiire seadmed. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Electron-beam_devices

4. Wikipedia [Elektrooniline ressurss]: Massispektromeetria. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Massispektromeetria

5. Tuumafüüsika Internetis [Elektrooniline ressurss]: Cyclotron. URL: http://nuclphys.sinp.msu.ru/experiment/accelerators/ciclotron.htm

6. Elektrooniline füüsikaõpik [Elektrooniline ressurss]: T. Lorentzi jõu rakendused // URL: http://www.physbook.ru/index.php/ T. Lorentzi jõu rakendused

7. Akadeemik [Elektrooniline ressurss]: Magnetohüdrodünaamiline generaator // URL: http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/MAGNETOHYDRODYNAMIC

©2015-2019 sait
Kõik õigused kuuluvad nende autoritele. See sait ei pretendeeri autorlusele, kuid pakub tasuta kasutamist.
Lehe loomise kuupäev: 2017-03-31