Сила Лоренц в природі повідомлення. Що таке сила лоренця, які величина та напрямки цієї сили

Сила, що діє з боку магнітного поля на електрично заряджену частинку, що рухається.

де q – заряд частинки;

V – швидкість заряду;

a - кут між вектором швидкості заряду та вектором магнітної індукції.

Напрямок сили Лоренца визначається за правилом лівої руки:

Якщо поставити ліву руку так, щоб перпендикулярна швидкості складова вектора індукції входила в долоню, а чотири пальці були б розташовані у напрямку швидкості руху позитивного заряду (або проти напрямку швидкості негативного заряду), то відігнутий великий палець вкаже напрям сили Лоренца:

.

Оскільки сила Лоренца завжди перпендикулярна швидкості заряду, вона не здійснює роботи (тобто. не змінює величину швидкості заряду та її кінетичну енергію).

Якщо заряджена частка рухається паралельно силовим лініям магнітного поля, то Fл = 0 і заряд у магнітному полі рухається рівномірно і прямолінійно.

Якщо заряджена частка рухається перпендикулярно силовим лініям магнітного поля, то сила Лоренца є доцентровою:

і створює доцентрове прискорення рівне:

У цьому випадку частка рухається по колу.

.

Згідно з другим законом Ньютона: сила Лоренца дорівнює добутку маси частки на доцентрове прискорення:

тоді радіус кола:

а період обігу заряду в магнітному полі:

Так як електричний струм є упорядкованим рухом зарядів, то дія магнітного поля на провідник зі струмом є результат його дії на окремі заряди, що рухаються. Якщо внести провідник зі струмом магнітне поле (фіг.96,а), то ми побачимо, що в результаті складання магнітних полів магніту і провідника відбудеться посилення результуючого магнітного поля з одного боку провідника (на кресленні зверху) і ослаблення магнітного поля з іншого боку провідника (на кресленні знизу). В результаті дії двох магнітних полів відбудеться викривлення магнітних ліній і вони, прагнучи скоротитися, виштовхуватимуть провідник вниз (фіг. 96 б).

Напрямок сили, що діє на провідник зі струмом у магнітному полі, можна визначити за «правилом лівої руки». Якщо ліву руку розташувати в магнітному полі так, щоб магнітні лінії, що виходять з північного полюса, як би входили в долоню, а чотири витягнуті пальці збігалися з напрямком струму в провіднику, великий відігнутий палець руки покаже напрям дії сили. Сила Ампера, що діє на елемент довжини провідника, залежить: від величини магнітної індукції, величини струму в провіднику I, від елемента довжини провідника і від синуса кута а між напрямком елемента довжини провідника і напрямом магнітного поля.

Ця залежність може бути виражена формулою:

Для прямолінійного провідника кінцевої довжини, поміщеного перпендикулярно до напрямку рівномірного магнітного поля, сила, що діє на провідник, буде дорівнювати:

З останньої формули визначимо розмірність магнітної індукції.

Оскільки розмірність сили:

тобто розмірність індукції така сама, яка була отримана нами із закону Біо і Савара.

Тесла (одиниця магнітної індукції)

Тесла,одиниця магнітної індукції Міжнародної системи одиниць,рівна магнітної індукції,при якій магнітний потік крізь поперечний переріз площею 1 м 2 дорівнює 1 веберу.Названа на ім'я М. Тесла.Позначення: російська тл,міжнародне Т. 1 тл = 104 гс(гаус).

Магнітний момент, магнітний дипольний момент- Основна величина, що характеризує магнітні властивості речовини. Магнітний момент вимірюється в А⋅м 2 або Дж/Тл (СІ) або ерг/Гс (СГС), 1 ерг/Гс = 10 -3 Дж/Тл. Специфічною одиницею елементарного магнітного моменту є магнетон Бора. У разі плоского контуру з електричним струмом магнітний момент обчислюється як

де сила струму в контурі, площа контуру, одиничний вектор нормалі до площини контуру. Напрямок магнітного моменту зазвичай знаходиться за правилом буравчика: якщо обертати ручку буравчика в напрямку струму, то напрямок магнітного моменту збігатиметься з напрямком поступального руху буравчика.

Для довільного замкнутого контуру магнітний момент складається з:

,

де - радіус-вектор, проведений з початку координат до елемента довжини контуру

У випадку довільного розподілу струмів серед:

,

де - щільність струму в елементі об'єму.

Отже, на контур зі струмом у магнітному полі діє крутний момент. Контур орієнтується у цій точці поля лише одним способом. Приймемо позитивний напрямок нормалі за напрямок магнітного поля в даній точці. Обертальний момент прямо пропорційний величині струму I, площі контуру Sі синусу кута між напрямом магнітного поля та нормалі.

тут М - крутний момент , або момент сили , - магнітний момент контуру (аналогічно – електричний момент диполя).

У неоднорідному полі () формула справедлива, якщо розмір контуру досить малий(тоді межах контуру полі вважатимуться приблизно однорідним). Отже, контур зі струмом, як і раніше, прагне розвернутися так, щоб його магнітний момент був спрямований уздовж ліній вектора .

Але, крім того, на контур діє результуюча сила (у разі однорідного поля і . Ця сила діє на контур зі струмом або на постійний магніт з моментом і втягує їх в область сильнішого магнітного поля).
Робота з переміщення контуру зі струмом у магнітному полі.

Неважко довести, що робота з переміщення контуру зі струмом у магнітному полі дорівнює де - магнітні потоки через площу контуру в кінцевому і початковому положеннях. Ця формула справедлива, якщо струм у контурі постійний, тобто. при переміщенні контуру не враховується явище електромагнітної індукції.

Формула справедлива і для великих контурів у сильно неоднорідному магнітному полі (за умови I= const).

Нарешті, якщо контур зі струмом не зміщувати, а змінювати магнітне поле, тобто. змінювати магнітний потік через поверхню, що охоплюється контуром, від значення до того для цього треба здійснити ту ж роботу . Ця робота називається роботою зміни магнітного потоку, пов'язаного з контуром. Поток вектора магнітної індукції (магнітним потоком)через майданчик dS називається скалярна фізична величина, яка дорівнює

де B n = Вcos - проекція вектора Уна напрямок нормалі до майданчика dS (α — кут між векторами nі У), d S= dS n- Вектор, у якого модуль дорівнює dS, а напрям його збігається з напрямком нормалі nдо майданчика. Потік вектора Уможе бути як позитивним, так і негативним залежно від знака cosα (задається вибором позитивного напрямку нормалі n). Потік вектора Узазвичай пов'язують із контуром, яким тече струм. У цьому випадку позитивний напрямок нормалі до контуру нами ставилося: воно зв'язується зі струмом правилом правого гвинта. Отже, магнітний потік, який створюється контуром, через поверхню, обмежену ним самим, завжди позитивний.

Потік вектора магнітної індукції Ф B через довільну задану поверхню S дорівнює

(2)

Для однорідного поля та плоскої поверхні, яка розташована перпендикулярно до вектору. У, B n = B = const і

З цієї формули задається одиниця магнітного потоку вебер(Вб): 1 Вб — магнітний потік, що проходить крізь плоску поверхню площею 1 м 2 , який розташований перпендикулярно до однорідного магнітного поля та індукція якого дорівнює 1 Тл (1 Вб=1 Тл.м 2).

Теорема Гауса для поля В: потік вектора магнітної індукції крізь будь-яку замкнуту поверхню дорівнює нулю.

(3)

Ця теорема є відображенням факту, що магнітні заряди відсутні, внаслідок чого лінії магнітної індукції немає ні початку, ні кінця і є замкнутими.

Отже, для потоків векторів Уі Екрізь замкнуту поверхню у вихровому та потенційному полях виходять різні формули.

Як приклад знайдемо потік вектора Укрізь соленоїд. Магнітна індукція однорідного поля всередині соленоїда з сердечником з магнітною проникністю μ дорівнює

Магнітний потік крізь один виток соленоїда площею S дорівнює

а повний магнітний потік, який зчеплений з усіма витками соленоїда і званий потокозчепленням,

Чому одних вчених історія вносить на свої сторінки золотими літерами, а деяких стирає безвісти? Кожен, хто прийшов у науку, повинен залишити в ній свій слід. Саме за величиною та глибиною цього сліду судить історія. Так, Ампер і Лоренц зробили неоціненний внесок у розвиток фізики, що дало змогу не тільки розвивати наукові теорії, а й набуло вагомої практичної цінності. Як з'явився телеграф? Що таке електромагніти? На ці запитання дасть відповідь сьогоднішній урок.

Для науки становлять величезну цінність отримані знання, які можуть знайти своє практичне застосування. Нові відкриття не лише розширюють дослідні обрії, а й ставлять нові питання, проблеми.

Виділимо основні відкриття Ампера в галузі електромагнетизму.

По-перше, це взаємодія провідників зі струмом. Два паралельні провідники зі струмами притягуються один до одного, якщо струми в них співспрямовані, і відштовхуються, якщо струми в них протиспрямовані (рис. 1).

Мал. 1. Провідники зі струмом

Закон Ампера каже:

Сила взаємодії двох паралельних провідників пропорційна добутку величин струмів у провідниках, пропорційна довжині цих провідників і обернено пропорційна відстані між ними.

Сила взаємодії двох паралельних провідників

Величини струмів у провідниках,

− довжина провідників,

Відстань між провідниками,

Магнітна стала.

Відкриття цього закону дозволило запровадити в одиниці виміру величину сили струму, якої доти не існувало. Так, якщо виходити з визначення сили струму як відношення кількості заряду перенесеного через поперечний переріз провідника в одиницю часу, ми отримаємо принципово не вимірювану величину, а саме кількість заряду, що переноситься через поперечний переріз провідника. З цього визначення ми зможемо запровадити одиницю виміру сили струму. Закон Ампера дозволяє встановити зв'язок між величинами сил струму у провідниках та величинами, які можна виміряти дослідним шляхом: механічною силою та відстанню. Таким чином, отримано можливість ввести до розгляду одиницю сили струму - 1 А (1 ампер).

Струм в один ампер - це такий струм, при якому два однорідні паралельні провідники, розташованих у вакуумі на відстані один метрот друга взаємодіють із силою Ньютона.

Закон взаємодії струмів - два паралельних провідника, що знаходяться у вакуумі, діаметри яких набагато менше відстаней між ними, взаємодіють із силою, прямо пропорційною добутку струмів у цих провідниках і обернено пропорційною відстані між ними.

Ще одне відкриття Ампера - це закон дії магнітного поля на провідник зі струмом. Він виявляється насамперед у дії магнітного поля на виток або рамку зі струмом. Так, на виток зі струмом у магнітному полі діє момент сили, яка прагне розгорнути цей виток таким чином, щоб його площина стала перпендикулярна до ліній магнітного поля. Кут повороту витка прямо пропорційний величині струму у витку. Якщо зовнішнє магнітне поле у ​​витку постійно, то значення модуля магнітної індукції також величина стала. Площа витка при невеликих струмах також можна вважати постійною, отже, справедливо те, що сила струму дорівнює добутку моменту сил, що розгортають виток зі струмом, на деяку постійну за незмінних умов величину.

- сила струму,

- момент сил, що розвертають виток зі струмом.

Отже, з'являється можливість вимірювати силу струму за величиною кута повороту рамки, яка реалізована у вимірювальному приладі – амперметрі (рис. 2).

Мал. 2. Амперметр

Після відкриття дії магнітного поля на провідник із струмом Ампер зрозумів, що це відкриття можна використовувати для того, щоб змусити провідник рухатися в магнітному полі. Так, магнетизм можна перетворити на механічний рух – створити двигун. Однією з перших, які працюють постійному струмі, був електродвигун (рис. 3), створений 1834 р. російським електротехніком Б.С. Якобі.

Мал. 3. Двигун

Розглянемо спрощену модель двигуна, що складається з нерухомої частини із закріпленими на ній магнітами – статора. Усередині статора може вільно обертатися рамка з провідного матеріалу, що називається ротором. Для того, щоб по рамці міг протікати електричний струм, вона з'єднана з клемами за допомогою ковзних контактів (рис. 4). Якщо підключити двигун до джерела постійного струму в ланцюг з вольтметром, при замиканні ланцюга рамка зі струмом почне обертання.

Мал. 4. Принцип роботи електродвигуна

У 1269 р. французький натураліст П'єр де Марікур написав працю під назвою «Лист про магніт». Основною метою П'єра де Марікура було створення вічного двигуна, в якому він збирався використати дивовижні властивості магнітів. Наскільки успішними були його спроби, невідомо, але достовірно те, що Якобі використав свій електродвигун для того, щоб привести в рух човен, при цьому йому вдалося його розігнати до швидкості 4,5 км/год.

Необхідно згадати ще один пристрій, що працює на основі законів Ампера. Ампер показав, що котушка зі струмом веде себе подібно до постійного магніту. Це означає, що можна сконструювати електромагніт– пристрій, потужність якого можна регулювати (рис. 5).

Мал. 5. Електромагніт

Саме Амперу прийшла ідея про те, що, скомбінувавши провідники та магнітні стрілки, можна створити пристрій, який надає інформацію на відстань.

Мал. 6. Електричний телеграф

Ідея телеграфу (рис. 6) виникла у перші місяці після відкриття електромагнетизму.

Однак широкого поширення електромагнітний телеграф набув після того, як Самюель Морзе створив зручний апарат і, головне, розробив двійкову абетку, що складається з точок і тире, яка так і називається: абетка Морзе.

З передавального телеграфного апарату за допомогою «ключа Морзе», що замикає електричний ланцюг, у лінії зв'язку формуються короткі або довгі електричні сигнали, що відповідають точкам або тире абетки Морзе. На приймальному телеграфному апараті (прилад) на час проходження сигналу (електричного струму) електромагніт притягує якір, з яким жорстко пов'язане пишуче металеве коліщатко або переписувач, які залишають чорнильний слід на паперовій стрічці (рис. 7).

Мал. 7. Схема роботи телеграфу

Математик Гаусс, коли познайомився з дослідженнями Ампера, запропонував створити оригінальну гармату (рис. 8), що працює на принципі дії магнітного поля на залізну кульку – снаряд.

Мал. 8. Гармата Гауса

Необхідно звернути увагу на те, в яку історичну епоху було зроблено ці відкриття. У першій половині XIX століття Європа семимильними кроками йшла шляхом промислової революції – це був благодатний час для науково-дослідних відкриттів та швидкого впровадження їх у практику. Ампер, безсумнівно, зробив вагомий внесок у цей процес, давши цивілізації електромагніти, електродвигуни та телеграф, які досі знаходять широке застосування.

Виділимо основні відкриття Лоренца.

Лоренц встановив, що магнітне поле діє на частинку, що рухається в ньому, змушуючи її рухатися по дузі кола:

Cила Лоренца - доцентрова сила, перпендикулярна до напрямку швидкості. Насамперед, відкритий Лоренцем закон, що дозволяє визначати таку найважливішу характеристику, як відношення заряду до маси. питомий заряд.

Значення питомого заряду - величина унікальна кожної зарядженої частинки, що дозволяє їх ідентифікувати, будь то електрон, протон чи будь-яка інша частка. Таким чином, вчені отримали потужний інструмент дослідження. Наприклад, Резерфорд зумів провести аналіз радіоактивного випромінювання та виявив його компоненти, серед яких присутні альфа-частинки – ядра атома гелію – та бета-частинки – електрони.

У ХХ столітті з'явилися прискорювачі, робота яких ґрунтується на тому, що заряджені частинки прискорюються у магнітному полі. Магнітне поле викривляє траєкторії частинок (рис. 9). Напрямок згинання сліду дозволяє судити про знак заряду частки; вимірявши радіус траєкторії, можна визначити швидкість частинки, якщо відомі її маса та заряд.

Мал. 9. Викривлення траєкторії частинок у магнітному полі

На цьому принципі розроблено Великий адронний колайдер (рис. 10). Завдяки відкриттям Лоренца наука отримала новий інструмент для фізичних досліджень, відкриваючи дорогу у світ елементарних частинок.

Мал. 10. Великий адронний колайдер

Щоб охарактеризувати вплив вченого на технічний прогрес, згадаємо у тому, що з висловлювання для сили Лоренца випливає можливість розрахувати радіус кривизни траєкторії частки, що рухається у постійному магнітному полі. За незмінних зовнішніх умов цей радіус залежить від маси частки, її швидкості та заряду. Таким чином, отримуємо можливість класифікувати заряджені частинки за цими параметрами і, отже, можемо проводити аналіз будь-якої суміші. Якщо суміш речовин в газоподібному стані іонізувати, розігнати і направити в магнітне поле, то частинки почнуть рухатися по дугах кіл з різними радіусами - частки залишатимуть поле в різних точках, і залишається тільки зафіксувати ці точки вильоту, що реалізується за допомогою екрана, покритого люмінофором що світиться при попаданні на нього заряджених частинок. Саме за такою схемою працює мас-аналізатор(рис. 11) . Мас-аналізатори широко застосовують у фізиці та хімії для аналізу складу сумішей.

Мал. 11. Мас-аналізатор

Це ще не всі технічні пристрої, які працюють на основі розробок та відкриттів Ампера та Лоренца, адже наукове знання рано чи пізно перестає бути винятковою власністю вчених та стає надбанням цивілізації, при цьому воно втілюється у різних технічних пристроях, які роблять наше життя комфортнішим.

Список літератури

1. Касьянов В.А., Фізика 11 кл.: Навч. для загальноосвіт. установ. - 4-те вид., стереотип. – М.: Дрофа, 2004. – 416с.: іл., 8 л. кол. вкл.
2. Генденштейн Л.Е., Дік Ю.І., Фізика 11. – М.: Мнемозіна.
3. Тихомирова С.А., Яровський Б.М., Фізика 11. – М.: Мнемозіна.

1. Інтернет-портал «Чіп та Діп» ().
2. Інтернет-портал "Київська міська бібліотека" ().
3. Інтернет-портал "Інститут дистанційної освіти" ().

Домашнє завдання

1. Касьянов В.А., Фізика 11 кл.: Навч. для загальноосвіт. установ. - 4-те вид., стереотип. – М.: Дрофа, 2004. – 416с.: іл., 8 л. кол. вкл., ст. 88 ст. 1-5.

2. У камері Вільсона, яка розміщена в однорідному магнітному полі з індукцією 1,5 Тл, альфа-частка, влітаючи перпендикулярно до індукційних ліній, залишає слід у вигляді дуги кола радіусом 2,7 см. Визначте імпульс і кінетичну енергію. Маса альфа-частинки 6,7 10 -27 кг, а заряд 3,2 10 -19 Кл.

3. Мас-спектрограф. Пучок іонів, розігнаних різницею потенціалів 4 кВ, влітає в однорідне магнітне поле з магнітною індукцією 80 мТл перпендикулярно до ліній магнітної індукції. Пучок складається з іонів двох типів з молекулярними масами 0,02 кг/моль та 0,022 кг/моль. Всі іони мають заряд 1,6 ∙ 10 -19 Кл. Іони вилітають із поля двома пучками (рис. 5). Знайти відстань між пучками іонів, що вилітають.

4. * За допомогою електродвигуна постійного струму піднімають вантаж на тросі. Якщо відключити електродвигун від джерела напруги і замкнути ротор коротко, вантаж опускатиметься з постійною швидкістю. Поясніть це явище. Яку форму переходить потенційна енергія вантажу?

Сила Ампера, що діє на відрізок провідника завдовжки Δ lіз силою струму I, що знаходиться в магнітному полі B,

Вираз для сили Ампера можна записати у вигляді:

Цю силу називають силою Лоренца . Кут α у цьому вираженні дорівнює куту між швидкістю та вектором магнітної індукції. Напрямок сили Лоренца, що діє на позитивно заряджену частинку, так само, як і напрямок сили Ампера, може бути знайдено за правилом лівої руки або за правилом буравчика. Взаємне розташування векторів і для позитивно зарядженої частинки показано на рис. 1.18.1.

Сила Лоренца спрямована перпендикулярно векторам та

При русі зарядженої частки у магнітному полі сила Лоренца роботи не здійснює.Тому модуль вектора швидкості під час руху частки не змінюється.

Якщо заряджена частка рухається в однорідному магнітному полі під дією сили Лоренца, а її швидкість лежить у площині, перпендикулярній вектору то частка буде рухатися по колу радіуса

Сила Лоренца у разі грає роль доцентрової сили (рис. 1.18.2).

Період обігу частинки в однорідному магнітному полі дорівнює

Цей вираз показує, що для заряджених частинок заданої маси mперіод обігу не залежить від швидкості і радіусу траєкторії R.

Кутова швидкість руху зарядженої частки круговою траєкторією

називається циклотронною частотою . Циклотронна частота не залежить від швидкості (отже, і від кінетичної енергії) частки. Ця обставина використовується в циклотронах - прискорювачах важких частинок (протонів, іонів). Принципова схема циклотрону наведено на рис. 1.18.3.

Між полюсами сильного електромагніту міститься вакуумна камера, в якій знаходяться два електроди у вигляді порожнистих металевих напівциліндрів ( дуантів ). До дуантів додано змінну електричну напругу, частота якого дорівнює циклотронній частоті. Заряджені частинки інжектуються у центрі вакуумної камери. Частинки прискорюються електричним полем у проміжку між дуантами. Усередині дуантів частинки рухаються під дією сили Лоренца по півкола, радіус яких зростає в міру збільшення енергії частинок. Щоразу, коли частка пролітає через зазор між дуантами, вона пришвидшується електричним полем. Таким чином, у циклотроні, як і у всіх інших прискорювачах, заряджена частка прискорюється електричним полем, а утримується на траєкторії магнітним полем. Циклотрони дозволяють прискорювати протони до енергії близько 20 МеВ.

Однорідні магнітні поля використовуються в багатьох приладах і, зокрема, мас-спектрометрах - пристрої, за допомогою яких можна вимірювати маси заряджених частинок - іонів або ядер різних атомів. Мас-спектрометри використовуються для поділу ізотопів, тобто ядер атомів з однаковим зарядом, але різними масами (наприклад, 20 і 22 Ne). Найпростіший мас-спектрометр показано на рис. 1.18.4. Іони, що вилітають із джерела S, проходять через кілька невеликих отворів, що формують вузький пучок Потім вони потрапляють у селектор швидкостей , в якому частинки рухаються в схрещених однорідних електричному та магнітному полях. Електричне поле створюється між пластинами плоского конденсатора, магнітне поле - у проміжку між полюсами електромагніта. Початкова швидкість заряджених частинок спрямована перпендикулярно векторам і

На частинку, що рухається в схрещених електричному та магнітному полях, діють електрична сила та магнітна сила Лоренца. За умови E = υ Bці сили точно врівноважують одна одну. Якщо ця умова виконується, частка рухатиметься рівномірно і прямолінійно і, пролетівши через конденсатор, пройде через отвір в екрані. При заданих значеннях електричного та магнітного полів селектор виділить частинки, що рухаються зі швидкістю υ = E / B.

Далі частинки з тим самим значенням швидкості потрапляють у камеру мас-спектрометра, в якій створено однорідне магнітне поле . Частинки рухаються в камері в площині, перпендикулярній магнітному полю під дією сили Лоренца. Траєкторії частинок являють собою кола радіусів. R = mυ / qB". Вимірюючи радіуси траєкторій при відомих значеннях і B"можна визначити відношення q / m. У разі ізотопів ( q 1 = q 2) мас-спектрометр дозволяє розділити частки з різними масами.

Сучасні мас-спектрометри дозволяють вимірювати маси заряджених частинок з точністю вище 10 -4.

Якщо швидкість частинки має складову вздовж напрямку магнітного поля, то така частка рухатиметься в однорідному магнітному полі по спіралі. При цьому радіус спіралі Rзалежить від модуля перпендикулярного магнітному полю складової υ + вектора а крок спіралі p- Від модуля поздовжньої складової υ || (Рис. 1.18.5).

Таким чином, траєкторія зарядженої частинки хіба що навивається лінії магнітної індукції. Це явище використовується в техніці для магнітної термоізоляції високотемпературної плазмитобто повністю іонізованого газу при температурі порядку 10 6 K. Речовину в такому стані отримують в установках типу «Токамак» при вивченні керованих термоядерних реакцій. Плазма не повинна торкатися стінок камери. Термоізоляція досягається шляхом створення магнітного поля спеціальної конфіругації. Як приклад на рис. 1.18.6 зображена траєкторія руху зарядженої частки магнітній «пляшці»(або пастці ).

Аналогічне явище відбувається в магнітному полі Землі, яке є захистом для живого від потоків заряджених частинок з космічного простору. Швидкі заряджені частинки з космосу (переважно від Сонця) «захоплюються» магнітним полем Землі та утворюють так звані радіаційні пояси (рис. 1.18.7), у яких частинки, як у магнітних пастках, переміщуються туди й назад спіралеподібними траєкторіями між північним і південним магнітними полюсами за часи порядку часткою секунди. Лише у полярних областях деяка частина частинок вторгається у верхні шари атмосфери, викликаючи полярні сяйва. Радіаційні пояси Землі тягнуться від відстаней близько 500 км до десятків земних радіусів. Слід згадати, що північний магнітний полюс Землі зараз знаходиться поблизу північного географічного полюса і поступово переміщується. Природа земного магнетизму досі вивчена.

Виникнення сили, що діє на електричний заряд, що рухається у зовнішньому електромагнітному полі

Анімація

Опис

Силою Лоренца називається сила, що діє на заряджену частинку, що рухається у зовнішньому електромагнітному полі.

Формула для сили Лоренца (F) була вперше отримана шляхом узагальнення досвідчених фактів Х.А. Лоренцем в 1892 р. і представлена ​​в роботі «Електромагнітна теорія Максвелла і її додаток до тіл, що рухаються». Вона має вигляд:

F = qE + q, (1)

де q – заряджена частка;

Е – напруженість електричного поля;

B - вектор магнітної індукції, який залежить від величини заряду та швидкості його руху;

V - вектор швидкості зарядженої частинки щодо системи координат, в якій обчислюються величини F та B .

Перший член у правій частині рівняння (1) - сила, що діє на заряджену частинку в електричному полі F Е = qE, другий член - сила, що діє в магнітному полі:

F м = q. (2)

Формула (1) є універсальною. Вона справедлива як постійних, так змінних силових полів, і навіть будь-яких значень швидкості зарядженої частки. Вона є важливим співвідношенням електродинаміки, оскільки дозволяє зв'язати рівняння електромагнітного поля з рівняннями руху заряджених частинок.

У нерелятивістському наближенні сила F , як будь-яка інша сила, залежить від вибору інерційної системи відліку. Разом з тим магнітна складова сили Лоренца F м змінюється при переході від однієї системи відліку до іншої через зміну швидкості, тому змінюватиметься і електрична складова F Е . У зв'язку з цим поділ сили F на магнітну та електричну має сенс лише із зазначенням системи відліку.

У скалярній формі вираз (2) має вигляд:

Fм = qVBsina , (3)

де a - кут між векторами швидкості та магнітної індукції.

Таким чином магнітна частина сили Лоренца максимальна, якщо напрямок руху частинки перпендикулярно магнітному полю (a = p /2), і дорівнює нулю, якщо частка рухається вздовж напрямку поля (a = 0).

Магнітна сила F м пропорційна векторному добутку, тобто. вона перпендикулярна вектору швидкості зарядженої частки і тому роботи над зарядом не робить. Це означає, що в постійному магнітному полі під дією магнітної сили викривляється лише траєкторія зарядженої частки, що рухається, але енергія її завжди залишається незмінною, як би частка не рухалася.

Напрямок магнітної сили для позитивного заряду визначається згідно з векторним твором (рис. 1).

Напрямок сили, що діє на позитивний заряд у магнітному полі

Мал. 1

Для негативного заряду (електрона) магнітна сила спрямована у протилежний бік (рис. 2).

Напрямок сили Лоренца, що діє на електрон у магнітному полі

Мал. 2

Магнітне поле спрямоване до читача перпендикулярно малюнку. Електричне поле відсутнє.

Якщо магнітне поле однорідне і спрямоване перпендикулярно до швидкості, заряд масою m рухається по колу. Радіус кола R визначається за формулою:

де – питомий заряд частки.

Період обігу частинки (час одного обороту) не залежить від швидкості, якщо швидкість частинки набагато менша за швидкість світла у вакуумі. В іншому випадку період обігу частки зростає у зв'язку із зростанням релятивістської маси.

У разі нерелятивістської частки:

де – питомий заряд частки.

У вакуумі однорідному магнітному полі, якщо вектор швидкості не перпендикулярний вектору магнітної індукції (a№p /2), заряджена частка під дією сили Лоренца (її магнітної частини) рухається по гвинтовій лінії з постійною за величиною швидкістю V . При цьому її рух складається з рівномірного прямолінійного руху вздовж напрямку магнітного поля зі швидкістю і рівномірного обертального руху в площині перпендикулярній полю зі швидкістю (рис. 2).

Проекція траєкторії руху частинки на площину перпендикулярну є коло радіусу:

період обігу частки:

Відстань h , яке проходить частка за час Т вздовж магнітного поля (крок гвинтової траєкторії), визначається за формулою:

h = Vcos a T. (6)

Вісь гвинтової лінії збігається з напрямком поля В, центр кола переміщається вздовж силової лінії поля (рис. 3).

Рух зарядженої частки, що влетіла під кутом a№p /2 в магнітне поле

Мал. 3

Електричне поле відсутнє.

Якщо електричне поле E № 0, рух має більш складний характер.

В окремому випадку, якщо вектори E і B паралельні, в процесі руху змінюється складова швидкості V 11 паралельна магнітному полю, внаслідок чого змінюється крок гвинтової траєкторії (6).

У тому випадку, якщо E і B не є паралельними, відбувається переміщення центру обертання частинки, зване дрейфом, перпендикулярно до поля В . Напрям дрейфу визначається векторним твором і залежить від знака заряду.

Вплив магнітного поля на заряджені частинки, що рухаються, призводять до перерозподілу струму по перерізу провідника, що знаходить свій прояв в термомагнітних і гальваномагнітних явищах.

Ефект відкрито нідерландським фізиком Х.А. Лоренцем (1853-1928).

Тимчасові характеристики

Час ініціації (log to від -15 до -15);

Час існування (log tc від 15 до 15);

Час деградації (log td від -15 до -15);

Час оптимального прояву (log tk від -12 до 3).

Діаграма:

Технічні реалізації ефекту

Технічна реалізація дії сили Лоренца

Технічна реалізація експерименту по прямому спостереженню дії сили Лоренца на заряд, що рухається, як правило досить складна, так як відповідні заряджені частинки мають молекулярний характерний розмір. Тому спостереження їх траєкторії в магнітному полі вимагає вакуумування робочого об'єму, щоб уникнути зіткнень, що спотворюють траєкторію. Тож спеціально такі демонстраційні установки зазвичай не створюються. Найлегше для демонстрації використовувати стандартний секторний магнітний мас-аналізатор Нієра, див. Ефект 409005, - дія якого цілком заснована на силі Лоренца.

Застосування ефекту

Типове використання в техніці - датчик Холла, що широко використовується у вимірювальній техніці.

Пластинка з металу або напівпровідника міститься в магнітне поле. При пропущенні через неї електричного струму щільності j у напрямку перпендикулярному магнітному полю в пластині виникає поперечне електричне поле, напруженість якого Е перпендикулярна до обох векторів j і . За даними вимірів знаходять У .

Пояснюється цей ефект дією сили Лоренца на заряд, що рухається.

Гальваномагнітні магнітометри. Мас-спектрометри. Прискорювачі заряджених частинок. Магнітогідродинамічні генератори.

Література

1. Сівухін Д.В. Загальний курс фізики. - М.: Наука, 1977. - Т.3. Електрика.

2. Фізичний енциклопедичний словник. - М., 1983.

3. Детлаф А.А., Яворський Б.М. Курс фізики. - М.: Вища школа, 1989.

Ключові слова

• електричний заряд
• магнітна індукція
• магнітне поле
• напруженість електричного поля
• сила Лоренца
• швидкість частки
• радіус кола
• період звернення
• крок гвинтової траєкторії
• електрон
• протон
• позитрон

Розділи природничих наук:

РЕФЕРАТ

На предмет «Фізика»
Тема: «Застосування сили Лоренца»

Виконав: Студент групи Т-10915 Логунова М.В.

Викладач Воронцов Б.С.

Курган 2016

Вступ. 3

1. Використання сили Лоренца. 4

.. 4

1. 2 Мас-спектрометрія. 6

1. 3 МГД генератор. 7

1. 4 Циклотрон. 8

Висновок. 11

Список використаної литературы.. 13

Вступ

Сила Лоренца- сила, з якою електромагнітне поле згідно з класичною (неквантовою) електродинамікою діє наточкову заряджену частинку. Іноді силою Лоренца називають силу, що діє на рухомий зі швидкістю υ заряд qлише з боку магнітного поля, нерідко ж повну силу - з боку електромагнітного поля взагалі, інакше кажучи, з боку електричного Eта магнітного Bполів.

У Міжнародній системі одиниць (СІ) виражається як:

FЛ = q υ B sin α

Названа на честь голландського фізика Хендріка Лоренца, який вивів вираз для цієї сили у 1892 році. За три роки до Лоренца правильне вираження знайшли О. Хевісайдом.

Макроскопічним проявом сили Лоренца є Ампера.

Використання сили Лоренца

Дія, що надається магнітним полем на заряджені частинки, що рухаються, дуже широко використовують у техніці.

Основним застосуванням сили Лоренца (точніше, її окремого випадку - сили Ампера) є електричні машини (електродвигуни та генератори). Сила Лоренца широко використовується в електронних приладах для впливу на заряджені частинки (електрони та іноді іони), наприклад, у телевізійних електронно-променевих трубках, в мас-спектрометріїі МГД-генератори.

Також у створених в даний час експериментальних установках для здійснення керованої термоядерної реакції дію магнітного поля на плазму використовують для скручування її в шнур, що не стосується стін робочої камери. Рух заряджених частинок по колу в однорідному магнітному полі та незалежність періоду такого руху від швидкості частинки використовують у циклічних прискорювачах заряджених частинок - циклотрони.

1. 1. Електронно-променеві прилади

Електронно-променеві прилади (ЕЛП) - клас вакуумних електронних приладів, в яких використовується потік електронів, сконцентрований у формі одиночного променя або пучка променів, що керуються як за інтенсивністю (струму), так і за становищем у просторі, та взаємодіють з нерухомою просторовою мішенню (Екраном) приладу. Основна сфера застосування ЕЛП - перетворення оптичної інформації на електричні сигнали і зворотне перетворення електричного сигналу на оптичний - наприклад, у видиме телевізійне зображення.

До класу електронно-променевих приладів не включаються рентгенівські трубки, фотоелементи, фотопомножувачі, газорозрядні прилади (декатрони) та приймально-підсилювальні електронні лампи (променеві тетроди, електровакуумні індикатори, лампи з вторинною емісією тощо) з променевою формою струмів.

Електронно-променевий прилад складається, як мінімум, із трьох основних частин:

· Електронний прожектор (гармата) формує електронний промінь (або пучок променів, наприклад, три промені в кольоровому кінескопі) та керує його інтенсивністю (струмом);

· Відхиляюча система управляє просторовим положенням променя (відхиленням його від осі прожектора);

· Мета (екран) приймального ЕЛП перетворює енергію променя у світловий потік видимого зображення; Мета передавального або запам'ятовує ЕЛП накопичує просторовий потенційний рельєф, що зчитується скануючим електронним променем

Загальні принципи устрою.

У балоні ЕПТ створено глибокий вакуум. Для створення електронного променя застосовується пристрій, який називається електронною гарматою. Катод, що нагрівається ниткою розжарювання, випромінює електрони. Зміною напруги на електроді, що управляє (модуляторі) можна змінювати інтенсивність електронного променя і, відповідно, яскравість зображення. Залишивши гармату, електрони прискорюються анодом. Далі промінь проходить через систему, що відхиляє, яка може змінювати напрямок променя. У телевізійних ЕПТ застосовується магнітна система, що відхиляє як забезпечує великі кути відхилення. В осцилографічних ЕЛТ застосовується електростатична система, що відхиляє як забезпечує більшу швидкодію. Електронний промінь потрапляє у екран, покритий люмінофором. Від бомбардування електронами люмінофор світиться і пляма змінної яскравості, що швидко переміщається, створює на екрані зображення.

1. 2 Мас-спектрометрія

Дію сили Лоренца використовують і в приладах, які називаються мас-спектрографами, які призначені для поділу заряджених частинок за їх питомими зарядами.

Мас-спектрометрія(мас-спектроскопія, мас-спектрографія, мас-спектральний аналіз, мас-спектрометричний аналіз) - метод дослідження речовини, заснований на визначенні ставлення маси до заряду іонів, що утворюються приіонізації компонентів проби, що представляють інтерес. Один з найпотужніших способів якісної ідентифікації речовин, що допускає також кількісне визначення. Можна сміливо сказати, що масс-спектрометрия - це «зважування» молекул, що у пробі.

Схема найпростішого мас-спектрографа показано малюнку 2.

У камері 1, з якої відкачано повітря, знаходиться джерело іонів 3. Камера поміщена в однорідне магнітне поле, у кожній точці якого індукція B⃗ B→перпендикулярна до площини креслення і направлена ​​до нас (на малюнку 1 це поле позначено кружальцями). Між електродами А і В прикладено прискорюючу напругу, під дією якого іони, що вилітають із джерела, розганяються і з деякою швидкістю потрапляють у магнітне поле перпендикулярно до ліній індукції. Рухаючись у магнітному полі дугою кола, іони потрапляють на фотопластинку 2, що дозволяє визначити радіус R цієї дуги. Знаючи індукцію магнітного поля В і швидкість іонів, за формулою

можна визначити питомий заряд іонів. Якщо ж заряд іона відомий, можна обчислити його масу.

Історія мас-спектрометрії ведеться з основних дослідів Дж. Дж. Томсона на початку XX століття. Закінчення «метрія» в назві методу з'явилося після повсюдного переходу від детектування заряджених частинок за допомогою фотопластинок до електричних вимірів іонних струмів.

Особливо широке застосування мас-спектрометрія знаходить у аналізі органічних речовин, оскільки забезпечує впевнену ідентифікацію як щодо простих, і складних молекул. Єдина загальна вимога – щоб молекула піддавалася іонізації. Однак досі придумано

стільки способів іонізації компонентів проби, що мас-спектрометрію можна вважати практично всеосяжним методом.

1. 3 МГД генератор

Магнітогідродинамічний генератор, МГД-генератор - енергетична установка, в якій енергія робочого тіла (рідкого або газоподібного електропровідного середовища), що рухається в магнітному полі, перетворюється безпосередньо на електричну енергію.

Принцип роботи МГД-генератора, як і звичайного машинного генератора, заснований на явищі електромагнітної індукції, тобто на виникненні струму в провіднику, що перетинає силові лінії магнітного поля. На відміну від машинних генераторів, провідником у МГД-генераторі є саме робоче тіло.

Робоче тіло рухається упоперек магнітного поля, і під дією магнітного поля виникають протилежно спрямовані потоки носіїв зарядів протилежних знаків.

На заряджену частку діє сила Лоренца.

Робочим тілом МГД-генератора можуть бути такі середовища:

· Електроліти;

· Рідкі метали;

· Плазма (іонізований газ).

Перші МГД-генератори використовували як робоче тіло електропровідні рідини (електроліти). В даний час застосовують плазму, в якій носіями зарядів є в основному вільні електрони та позитивні іони. Під дією магнітного поля носії зарядів відхиляються від траєкторії, через яку газ рухався б без поля. При цьому в сильному магнітному полі може виникати поле Холла (див. Ефект Холла) - електричне поле, що утворюється в результаті зіткнень і зміщень заряджених частинок у площині, перпендикулярній магнітному полю.

1. 4 Циклотрон

Циклотрон - резонансний циклічний прискорювач нерелятивістських важких заряджених частинок (протонів, іонів), у якому частки рухаються у постійному і однорідному магнітному полі, а їхнього прискорення використовується високочастотне електричне полі постійної частоти.

Схема влаштування циклотрону показана на рис.3. Важкі заряджені частинки (протони, іони) потрапляють у камеру з інжектора поблизу центру камери і прискорюються змінним полем фіксованої частоти, прикладеним до електродів, що прискорюють (їх два і вони називаються дуантами). Частинки із зарядом Ze і масою m рухаються в постійному магнітному полі напруженістю B, спрямованому перпендикулярно площині руху частинок, по спіралі, що розкручується. Радіус R траєкторії частинки, що має швидкість v визначається формулою

де γ = -1/2 – релятивістський фактор.

У циклотроні для нерелятивістської (γ ≈ 1) частинки в постійному та однорідному магнітному полі радіус орбіти пропорційний швидкості (1), а частота навернення нерелятивістської частки (циклотронна частота не залежить від енергії частки

У зазорі між дуантами частинки прискорюються імпульсним електричним полем (всередині порожніх металевих дуантів електричного поля немає). В результаті енергія та радіус орбіти зростають. Повторюючи прискорення електричним полем кожному обороті, енергію і радіус орбіти доводять до максимально допустимих значень. При цьому частинки набувають швидкості v = ZeBR/m і відповідної їй енергії:

На останньому витку спіралі включається електричне поле, що відхиляє, що виводить пучок назовні. Постійність магнітного поля і частоти поля, що прискорює, роблять можливим безперервний режим прискорення. Поки одні частинки рухаються зовнішніми витками спіралі, інші знаходяться в середині шляху, а треті тільки починають рух.

Недоліком циклотрону є обмеження істотно нерелятивістськими енергіями частинок, так як навіть не дуже великі релятивістські поправки (відхилення γ від одиниці) порушують синхронність прискорення на різних витках і частинки з істотно зрослими енергіями вже не встигають опинитися в зазорі між дуантами . У традиційних циклотронах протони можна прискорювати до 20-25 МеВ.

Для прискорення важких частинок в режимі спіралі, що розкручується, до енергій в десятки разів великих (аж до 1000 МеВ) використовують модифікацію циклотрону, звану ізохронним(Релятивістським) циклотроном, а також фазотрон. В ізохронних циклотронах релятивістські ефекти компенсуються радіальним зростанням магнітного поля.

Висновок

Прихований текст

Письмовий висновок (найосновніший за всіма підпунктами першого розділу – принципи дії, визначення)

Список використаної літератури

1. Вікіпедія [Електронний ресурс]: Сила Лоренца. URL: https://ua.wikipedia.org/wiki/Сила_Лоренца

2. Вікіпедія [Електронний ресурс]: Магнітогідродинамічний генератор. URL: https://ua.wikipedia.org/wiki/ Магнітогідродинамічний_генератор

3. Вікіпедія [Електронний ресурс]: Електронно-променеві прилади. URL: https://ua.wikipedia.org/wiki/ Електронно-променеві_прилади

4. Вікіпедія [Електронний ресурс]: Мас-спектрометрія. URL: https://ua.wikipedia.org/wiki/Мас-спектрометрія

5. Ядерна фізика в Інтернеті [Електронний ресурс]: Циклотрон. URL: http://nuclphys.sinp.msu.ru/experiment/accelerators/ciclotron.htm

6. Електронний підручник фізики [Електронний ресурс]: Т. Застосування сили Лоренца// URL: http://www.physbook.ru/index.php/ Т._Застосування_сили_Лоренца

7. Академік [Електронний ресурс]: Магнітогідродинамічний генератор// URL: http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/МАГНІТОГІДРОДИНАМІЧНИЙ

©2015-2019 сайт
Усі права належати їх авторам. Цей сайт не претендує на авторства, а надає безкоштовне використання.
Дата створення сторінки: 2017-03-31