Lorenco jėgos išraiška vektorine forma. T. Lorenco jėgos taikymai

Amp galia, veikiantis Δ ilgio laidininko segmentą l su srove aš esantis magnetiniame lauke B,

Ampero jėgos išraišką galima parašyti taip:

Ši jėga vadinama Lorenco jėga . Kampas α šioje išraiškoje lygus kampui tarp greičio ir magnetinės indukcijos vektorius Lorenco jėgos, veikiančios teigiamai įkrautą dalelę, kryptį, taip pat Ampero jėgos kryptį galima rasti iš kairės rankos taisyklė arba pagal gimlet taisyklė. Abipusis vektorių išdėstymas ir teigiamai įkrautai dalelei parodytas fig. 1.18.1.

1.18.1 pav. Abipusis vektorių išdėstymas ir Lorenco jėgos modulis yra skaitiniu būdu lygus lygiagretainio, pastatyto ant vektorių ir padaugintam iš krūvio, plotui q

Lorenco jėga nukreipta statmenai vektoriams ir

Kai įkrauta dalelė juda magnetiniame lauke, Lorenco jėga neveikia. Todėl dalelei judant greičio vektoriaus modulis nekinta.

Jei įkrauta dalelė juda vienodame magnetiniame lauke, veikiant Lorenco jėgai, o jos greitis yra vektoriui statmenoje plokštumoje, tada dalelė judės spindulio apskritimu.

Dalelės apsisukimo vienodame magnetiniame lauke periodas yra

paskambino ciklotrono dažnis . Ciklotrono dažnis nepriklauso nuo dalelės greičio (taigi ir nuo kinetinės energijos). Šis faktas naudojamas ciklotronai – sunkiųjų dalelių (protonų, jonų) greitintuvai. grandinės schema ciklotronas parodytas fig. 1.18.3.

Tarp stipraus elektromagneto polių yra vakuuminė kamera, kurioje yra du elektrodai tuščiavidurių metalinių puscilindrų pavidalu ( dees ). Dėkliams tiekiama kintamoji elektros įtampa, kurio dažnis lygus ciklotrono dažniui. Įkrautos dalelės įpurškiamos į vakuuminės kameros centrą. Daleles pagreitina elektrinis laukas, esantis tarpe tarp dees. Dees viduje dalelės, veikiamos Lorenco jėgos, juda puslankiais, kurių spindulys didėja didėjant dalelių energijai. Kiekvieną kartą, kai dalelė praeina pro tarpą tarp dees, ją pagreitina elektrinis laukas. Taigi ciklotrone, kaip ir visuose kituose greitintuvuose, įkrautą dalelę pagreitina elektrinis laukas, o magnetinis laukas išlaiko trajektorijoje. Ciklotronai leidžia pagreitinti protonus iki maždaug 20 MeV energijos.

Tolygūs magnetiniai laukai naudojami daugelyje prietaisų ir ypač masės spektrometrai - prietaisai, kuriais galite išmatuoti įkrautų dalelių - įvairių atomų jonų ar branduolių - mases. Atskyrimui naudojami masių spektrometrai izotopų, tai yra vienodo krūvio, bet skirtingos masės (pavyzdžiui, 20 Ne ir 22 Ne) atomų branduoliai. Paprasčiausias masės spektrometras parodytas fig. 1.18.4. Iš šaltinio išskiriami jonai S, praeina per kelias mažas skylutes, kurios sudaro siaurą spindulį. Tada jie patenka į greičio parinkiklis , kuriame dalelės juda kirto vienodus elektrinius ir magnetinius laukus. Tarp plokščio kondensatoriaus plokščių sukuriamas elektrinis laukas, tarpe tarp elektromagneto polių sukuriamas magnetinis laukas. Pradinis įkrautų dalelių greitis nukreiptas statmenai vektoriams ir

Dalelę, judančią kryžminiuose elektriniuose ir magnetiniuose laukuose, veikia elektrinė jėga ir Lorenco magnetinė jėga. Su salyga E = υ Bšios jėgos tiksliai subalansuoja viena kitą. Jei ši sąlyga įvykdoma, dalelė judės tolygiai ir tiesia linija ir, praskriejusi per kondensatorių, prasiskverbs per ekrano angą. Esant nurodytoms elektrinio ir magnetinio lauko vertėms, parinkiklis parinks daleles, judančias greičiu υ = E / B.

Toliau dalelės vienodu greičiu patenka į masių spektrometro kamerą, kurioje sukuriamas tolygus magnetinis laukas.Kameroje dalelės juda magnetiniam laukui statmena plokštuma, veikiamos Lorenco jėgos. Dalelių trajektorijos yra spindulių apskritimai R = mυ / qB". Matuojant žinomų υ verčių trajektorijų spindulius ir B" santykiai gali būti apibrėžti q / m. izotopų atveju ( q 1 = q 2) masės spektrometras leidžia atskirti skirtingos masės daleles.

Šiuolaikiniai masių spektrometrai leidžia išmatuoti įkrautų dalelių mases didesniu nei 10–4 tikslumu.

Jei dalelių greitis turi komponentą pagal kryptį magnetinis laukas, tada tokia dalelė judės vienodame magnetiniame lauke spirale. Šiuo atveju spiralės spindulys R priklauso nuo magnetiniam laukui statmeno vektoriaus komponento υ ┴ modulio ir spiralės žingsnio p– ant išilginės dedamosios modulio υ || (1.18.5 pav.).

Taigi įkrautos dalelės trajektorija tarsi vingiuoja aplink magnetinės indukcijos linijas. Šis reiškinys naudojamas technologijoje aukštos temperatūros plazmos magnetinė šilumos izoliacija, tai yra visiškai jonizuotos dujos, kurių temperatūra apie 10 6 K. Tokios būsenos medžiaga gaunama „Tokamak“ tipo įrenginiuose tiriant kontroliuojamas termobranduolines reakcijas. Plazma neturi liestis su kameros sienelėmis. Šilumos izoliacija pasiekiama sukuriant specialios konfigūracijos magnetinį lauką. Pavyzdžiui, pav. 1.18.6 rodo įkrautos dalelės trajektoriją magnetinis butelis(arba įstrigę ).

Panašus reiškinys vyksta ir Žemės magnetiniame lauke, kuris yra visų gyvų būtybių apsauga nuo įkrautų dalelių srautų iš kosmoso. Greitai įkraunamas daleles iš kosmoso (daugiausia iš Saulės) „pagauna“ Žemės magnetinis laukas ir susidaro vadinamoji. radiacijos diržai (1.18.7 pav.), kurioje dalelės, kaip ir magnetiniuose spąstuose, juda pirmyn ir atgal spiralinėmis trajektorijomis tarp šiaurinio ir pietų magnetinio polių sekundės dalių tvarka. Tik poliariniuose regionuose kai kurios dalelės įsiveržia į viršutinius atmosferos sluoksnius ir sukelia pašvaistę. Žemės spinduliuotės juostos tęsiasi nuo maždaug 500 km atstumų iki dešimčių Žemės spindulių. Reikėtų prisiminti, kad pietinis Žemės magnetinis polius yra netoli šiaurinio geografinio poliaus (Grenlandijos šiaurės vakaruose). Antžeminio magnetizmo prigimtis dar nebuvo ištirta.

testo klausimai

1. Apibūdinkite Oersted ir Ampère eksperimentus.

2. Kas yra magnetinio lauko šaltinis?

3. Kokia Ampero hipotezė paaiškina nuolatinio magneto magnetinio lauko egzistavimą?

4. Kuo esminis skirtumas tarp magnetinio lauko ir elektrinio?

5. Suformuluokite magnetinės indukcijos vektoriaus apibrėžimą.

6. Kodėl magnetinis laukas vadinamas sūkuriu?

7. Suformuluokite įstatymus:

A) Amperas;

B) Bio-Savart-Laplace.

8. Kokia yra nuolatinės srovės lauko magnetinės indukcijos vektoriaus absoliuti vertė?

9. Suformuluokite srovės stiprumo vieneto (amperų) apibrėžimą Tarptautinėje vienetų sistemoje.

10. Užrašykite reikšmę išreiškiančias formules:

A) magnetinės indukcijos vektoriaus modulis;

B) Ampero jėgos;

B) Lorenco jėgos;

D) dalelės apsisukimo vienodame magnetiniame lauke periodas;

E) apskritimo kreivumo spindulys, kai įelektrinta dalelė juda magnetiniame lauke;

Savikontrolės testas

Kas buvo pastebėta Oerstedo eksperimente?

1) Dviejų lygiagrečių laidininkų sąveika su srove.

2) Dviejų magnetinių adatų sąveika

3) Magnetinės adatos sukimasis šalia laidininko, kai per jį teka srovė.

4) Elektros srovės atsiradimas ritėje, kai į ją įstumiamas magnetas.

Kaip sąveikauja du lygiagretūs laidininkai, jei per juos srovė teka ta pačia kryptimi?

Jus traukia;

atstumti;

Jėgų jėga ir momentas lygūs nuliui.

Jėga lygi nuliui, bet sukimo momentas nėra lygus nuliui.

Kokia formulė apibrėžia Ampero jėgos modulio išraišką?

Kokia formulė nustato Lorenco jėgos modulio išraišką?

B)

AT)

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 .

Elektronas, kurio greitis V, skrenda į magnetinį lauką, kurio indukcijos modulis B yra statmenas magnetinėms linijoms. Kokia išraiška atitinka elektrono orbitos spindulį?

Atsakymas: 1)
2)

4)

8. Kaip pasikeis įkrautos dalelės apsisukimo laikotarpis ciklotrone, padidėjus jo greičiui 2 kartus? (V<< c).

1) padidės 2 kartus; 2) Padidės 2 kartus;

3) Padidinti 16 kartų; 4) Nepakeis.

9. Kokia formulė nustato magnetinio lauko, sukurto apskritimo spindulio R centre, indukcijos modulį?

1)
2)
3)
4)

10. Srovė ritėje yra aš. Kuri iš formulių nustato magnetinio lauko indukcijos modulį ritės viduryje, kurios ilgis l su apsisukimų skaičiumi N ?

1)
2)
3)
4)

Laboratorijos Nr.

Žemės magnetinio lauko indukcijos horizontaliosios dedamosios nustatymas.

Trumpa teorija laboratoriniams darbams.

Magnetinis laukas yra materiali terpė, perduodanti vadinamąsias magnetines sąveikas. Magnetinis laukas yra viena iš pasireiškimo formų elektromagnetinis laukas.

Magnetinių laukų šaltiniai yra judantys elektros krūviai, srovės laidininkai ir kintamieji elektriniai laukai. Judančių krūvių (srovių) generuojamas magnetinis laukas savo ruožtu veikia tik judančius krūvius (sroves), o nejudantiems krūviams įtakos neturi.

Pagrindinė magnetinio lauko charakteristika yra magnetinės indukcijos vektorius :

Magnetinės indukcijos vektoriaus modulis skaitine prasme lygus didžiausiai jėgai, veikiančiai iš magnetinio lauko pusės vienetinio ilgio laidininką, kuriuo teka vienetinio stiprumo srovė. Vektorius sudaro dešinįjį trigubą su jėgos vektoriumi ir srovės kryptimi. Taigi magnetinė indukcija yra magnetinio lauko galios charakteristika.

Magnetinės indukcijos SI vienetas yra Tesla (T).

Magnetinio lauko jėgos linijos vadinamos įsivaizduojamomis linijomis, kurių kiekviename taške liestinės sutampa su magnetinės indukcijos vektoriaus kryptimi. Magnetinio lauko linijos visada yra uždaros, niekada nesikerta.

Ampero dėsnis nustato magnetinio lauko jėgos poveikį srovės laidininkui.

Jei magnetiniame lauke su indukcija uždėjo srovę nešantį laidininką, tada ant kiekvieno į srovę nukreipto elemento laidininkas, veikia Ampero jėga, nulemta santykio

.

Ampero jėgos kryptis sutampa su skersinės sandaugos kryptimi
, tie. ji yra statmena plokštumai, kurioje yra vektoriai ir (1 pav.).

Ryžiai. 1. Nustatyti Ampero jėgos kryptį

Jeigu statmenai , tada Ampero jėgos kryptį galima nustatyti pagal kairės rankos taisyklę: keturis ištiestus pirštus nukreipti išilgai srovės, delną padėti statmenai jėgos linijoms, tada nykštys parodys ampero jėgos kryptį. Ampero dėsnis yra magnetinės indukcijos apibrėžimo pagrindas, t.y. santykis (1) išplaukia iš (2) formulės, parašytos skaliare.

Lorenco jėga yra jėga, kuria elektromagnetinis laukas veikia įkrautą dalelę, judančią šiame lauke. Lorenco jėgos formulę pirmasis gavo G. Lorentzas, kaip patirties apibendrinimo rezultatą ir turi tokią formą:

.

kur
yra jėga, veikianti įkrautą dalelę elektriniame lauke, kurios intensyvumas ;
– jėga, veikianti įkrautą dalelę magnetiniame lauke.

Lorenco jėgos magnetinio komponento formulę galima gauti iš Ampero dėsnio, atsižvelgiant į tai, kad srovė yra tvarkingas elektros krūvių judėjimas. Jei magnetinis laukas neveiktų judančių krūvių, jis neturėtų įtakos srovės laidininkui. Lorenco jėgos magnetinis komponentas apskaičiuojamas taip:

.

Ši jėga nukreipta statmenai plokštumai, kurioje yra greičio vektoriai ir magnetinio lauko indukcija ; jo kryptis sutampa su vektorinės sandaugos kryptimi
dėl q > 0 ir su kryptimi
dėl q>0 (2 pav.).

Ryžiai. 2. Nustatyti Lorenco jėgos magnetinio komponento kryptį

Jei vektorius statmenai vektoriui , tada Lorenco jėgos magnetinio komponento kryptį teigiamai įkrautoms dalelėms galima rasti pagal kairės rankos taisyklę, o neigiamo krūvio dalelėms – pagal dešinės rankos taisyklę. Kadangi Lorenco jėgos magnetinis komponentas visada nukreiptas statmenai greičiui , tada jis neatlieka dalelės judinimo darbo. Jis gali pakeisti tik greičio kryptį , sulenkti dalelės trajektoriją, t.y. veikia kaip įcentrinė jėga.

Magnetiniams laukams apskaičiuoti naudojamas Biot-Savarto-Laplaso dėsnis (apibrėžimai ) sukurta laidininkų su srove.

Pagal Bioto-Savarto-Laplaso dėsnį, kiekvienas laidininko elementas, nukreiptas į srovę sukuria taške per atstumą iš šio elemento magnetinis laukas, kurio indukcija nustatoma pagal ryšį:

.

kur
H/m – magnetinė konstanta; µ yra terpės magnetinis pralaidumas.

Ryžiai. 3. Prie Biot-Savart-Laplace dėsnio

Kryptis
sutampa su vektorinės sandaugos kryptimi
, t.y.
statmena plokštumai, kurioje yra vektoriai ir . Tuo pačiu metu
yra lauko linijos liestinė, kurios kryptį galima nustatyti pagal įvorės taisyklę: jei antgalio galiuko transliacinis judėjimas nukreiptas išilgai srovės, tai rankenos sukimosi kryptis lems stulpelio kryptį. magnetinio lauko linija (3 pav.).

Norėdami rasti viso laidininko sukurtą magnetinį lauką, turite taikyti laukų superpozicijos principą:

.

Pavyzdžiui, apskaičiuokime magnetinę indukciją apskritimo srovės centre (4 pav.).

Ryžiai. 4. Į apskritimo srovės centro lauko apskaičiavimą

Apvaliajai srovei
ir
, taigi santykis (5) skaliarinėje formoje turi tokią formą:

Pilnos srovės dėsnis (magnetinės indukcijos cirkuliacijos teorema) yra kitas magnetinių laukų skaičiavimo dėsnis.

Bendras srovės dėsnis magnetiniam laukui vakuume yra toks:

.

kur B l – projekcija ant laidininko elemento nukreipta srovės.

Magnetinės indukcijos vektoriaus cirkuliacija išilgai bet kurios uždaros grandinės yra lygi magnetinės konstantos ir šios grandinės padengtų srovių algebrinės sumos sandaugai.

Magnetinio lauko Ostrogradskio-Gausso teorema yra tokia:

.

kur B n – vektorinė projekcija į normalią į svetainę dS.

Magnetinės indukcijos vektoriaus srautas per savavališką uždarą paviršių yra lygus nuliui.

Magnetinio lauko prigimtis išplaukia iš (9), (10) formulių.

Elektrinio lauko potencialumo sąlyga yra intensyvumo vektoriaus cirkuliacijos lygybė nuliui
.

Potencialus elektrinis laukas generuojami nejudančių elektros krūvių; lauko linijos nėra uždaros, jos prasideda teigiamais krūviais ir baigiasi neigiamais.

Iš (9) formulės matome, kad magnetiniame lauke magnetinės indukcijos vektoriaus cirkuliacija nėra lygi nuliui, todėl magnetinis laukas nėra potencialus.

Iš (10) ryšio išplaukia, kad nėra magnetinių krūvių, galinčių sukurti potencialius magnetinius laukus. (Elektrostatikoje panaši teorema smirda forma
.

Magnetinės jėgos linijos užsidaro pačios. Toks laukas vadinamas sūkuriu. Taigi magnetinis laukas yra sūkurinis laukas. Lauko linijų kryptis nustatoma pagal gimlet taisyklę. Tiesiame begalinio ilgio laidininke su srove jėgos linijos turi laidininką dengiančių koncentrinių apskritimų formą (3 pav.).

Kodėl istorija vienus mokslininkus į savo puslapius įtraukė aukso raidėmis, o kitus ištrina be pėdsakų? Kiekvienas, kuris ateina į mokslą, privalo palikti jame savo pėdsaką. Istorija sprendžia pagal šio pėdsako dydį ir gylį. Taigi Ampere'as ir Lorentzas įnešė neįkainojamą indėlį į fizikos raidą, o tai leido ne tik plėtoti mokslines teorijas, bet ir įgijo reikšmingos praktinės vertės. Kaip atsirado telegrafas? Kas yra elektromagnetai? Į visus šiuos klausimus atsakysime šios dienos pamokoje.

Mokslui įgytos žinios yra labai vertingos, kurios vėliau gali rastis savo praktinis naudojimas. Nauji atradimai ne tik plečia tyrimų akiratį, bet ir kelia naujų klausimų bei problemų.

Išskirkime pagrindinį Ampero atradimai elektromagnetizmo srityje.

Pirma, tai laidininkų sąveika su srove. Du lygiagretus laidininkas su srovėmis traukia viena kitą, jei srovės jose nukreiptos kartu, ir atstumia, jei srovės jose nukreiptos priešingai (1 pav.).

Ryžiai. 1. Laidininkai su srove

Ampero dėsnis skaito:

Dviejų lygiagrečių laidininkų sąveikos jėga yra proporcinga laidininkų srovių sandaugai, proporcinga šių laidininkų ilgiui ir atvirkščiai proporcinga atstumui tarp jų.

Dviejų lygiagrečių laidininkų sąveikos jėga,

Srovių dydis laidininkuose,

- laidų ilgis,

Atstumas tarp laidininkų,

Magnetinė konstanta.

Šio dėsnio atradimas leido į matavimo vienetus įtraukti srovės stiprumo dydį, kurio iki tol nebuvo. Taigi, remiantis srovės stiprumo apibrėžimu kaip perkelto įkrovimo kiekio santykiu skersinis pjūvis laidininkas per laiko vienetą, tada gausime iš esmės neišmatuojamą reikšmę, būtent laidininko skerspjūviu perduodamą krūvio kiekį. Remdamiesi šiuo apibrėžimu, negalėsime įvesti srovės stiprumo vieneto. Ampero dėsnis leidžia nustatyti ryšį tarp srovės stiprio dydžių laiduose ir dydžių, kuriuos galima išmatuoti empiriškai: mechaninės jėgos ir atstumo. Taigi buvo galima atsižvelgti į srovės stiprumo vienetą - 1 A (1 amperas).

Vieno ampero srovė - tai tokia srovė, kuriai esant du vienalyčiai lygiagretūs laidininkai, esantys vakuume vieno metro atstumu vienas nuo kito, sąveikauja su Niutono jėga.

Srovių sąveikos dėsnis - du lygiagretūs vakuume esantys laidininkai, kurių skersmenys yra daug mažesni už atstumus tarp jų, sąveikauja su jėga, kuri yra tiesiogiai proporcinga šių laidininkų srovių sandaugai ir atvirkščiai proporcinga atstumui tarp jų.

Kitas Ampero atradimas yra magnetinio lauko veikimo srovės laidininkui dėsnis. Jis pirmiausia išreiškiamas magnetinio lauko veikimu ant ritės arba kilpos su srove. Taigi, srovę tekančią ritę magnetiniame lauke veikia jėgos momentas, kuris linkęs šią ritę pasukti taip, kad jos plokštuma taptų statmena magnetinio lauko linijoms. Ritės sukimosi kampas yra tiesiogiai proporcingas srovės dydžiui ritėje. Jei išorinis magnetinis laukas ritėje yra pastovus, tada magnetinės indukcijos modulio vertė taip pat yra pastovi. Ritės plotas esant ne itin didelėms srovėms taip pat gali būti laikomas pastoviu, todėl tiesa, kad srovės stipris yra lygus jėgų momento sandaugai, kurios nepakitusiomis sąlygomis ritę su srove pasuka tam tikra pastovia verte. .

- srovės stiprumas,

- jėgų, kurios sukasi ritę su srove, momentas.

Todėl dabartinį stiprumą galima išmatuoti pagal rėmo sukimosi kampą, kuris yra įgyvendintas matavimo prietaisas– ampermetras (2 pav.).

Ryžiai. 2. Ampermetras

Atradęs magnetinio lauko poveikį srovės laidininkui, Ampère'as suprato, kad šis atradimas gali būti panaudotas norint priversti laidininką judėti magnetiniame lauke. Taigi, magnetizmą galima paversti mechaniniu judesiu – sukurti variklį. Vienas pirmųjų nuolatine srove pradėjo veikti elektros variklis (3 pav.), kurį 1834 metais sukūrė rusų elektros inžinierius B.S. Jacobi.

Ryžiai. 3. Variklis

Apsvarstykite supaprastintą variklio modelį, kurį sudaro fiksuota dalis su pritvirtintais magnetais - statorius. Statoriaus viduje laidžios medžiagos rėmas, vadinamas rotoriumi, gali laisvai suktis. Kad elektros srovė tekėtų per rėmą, jis slankiojančiais kontaktais prijungiamas prie gnybtų (4 pav.). Jei prijungsite variklį prie nuolatinės srovės šaltinio grandinėje su voltmetru, tada, kai grandinė bus uždaryta, rėmas su srove pradės suktis.

Ryžiai. 4. Elektros variklio veikimo principas

1269 metais prancūzų gamtininkas Pierre'as de Maricourt parašė veikalą „Laiškas ant magneto“. Pagrindinis Pierre'o de Maricourt tikslas buvo sukurti amžinąjį variklį, kuriame jis ketino panaudoti nuostabias magnetų savybes. Kiek sėkmingi buvo jo bandymai, nežinoma, tačiau neabejotina, kad Jacobi naudojo savo elektros variklį, kad varytų valtį, o jam pavyko ją išsklaidyti iki 4,5 km/h greičiu.

Būtina paminėti dar vieną įrenginį, kuris veikia Ampero dėsnių pagrindu. Amperas parodė, kad srovę nešanti ritė elgiasi kaip nuolatinis magnetas. Tai reiškia, kad galima statyti elektromagnetas- prietaisas, kurio galia gali būti reguliuojama (5 pav.).

Ryžiai. 5. Elektromagnetas

Būtent Ampere'as sugalvojo, kad sujungus laidininkus ir magnetines adatas galima sukurti įrenginį, kuris perduoda informaciją per atstumą.

Ryžiai. 6. Elektrinis telegrafas

Telegrafo idėja (6 pav.) kilo per pirmuosius mėnesius po elektromagnetizmo atradimo.

Tačiau elektromagnetinis telegrafas plačiai paplito po to, kai Samuelis Morse'as sukūrė patogesnį aparatą ir, svarbiausia, sukūrė dvejetainę abėcėlę, susidedančią iš taškų ir brūkšnelių, vadinamą Morzės kodu.

Elektros grandinę uždarančio „Morzės klavišo“ pagalba siunčiantis telegrafo aparatas ryšio linijoje generuoja trumpus arba ilgus elektrinius signalus, atitinkančius Morzės abėcėlės taškelius ar brūkšnelius. Priimančiojoje telegrafo aparate (rašymo priemonėje) signalo (elektros srovės) praėjimo metu elektromagnetas pritraukia armatūrą, su kuria standžiai sujungtas rašomasis metalinis ratas arba rašiklis, kuris palieka rašalo pėdsakus ant popieriaus juostos ( 7 pav.).

Ryžiai. 7. Telegrafo schema

Matematikas Gaussas, susipažinęs su Ampero tyrimais, pasiūlė sukurti originalų ginklą (8 pav.), veikiantį magnetinio lauko veikimo principu į geležinį rutulį – sviedinį.

Ryžiai. 8. Gauso pistoletas

Būtina atkreipti dėmesį į istorinę epochą, kurioje buvo padaryti šie atradimai. XIX amžiaus pirmoje pusėje Europa žengė didžiuliais žingsniais pramonės revoliucijos keliu – tai buvo palankus metas mokslinių tyrimų atradimams ir greitam jų įgyvendinimui praktikoje. Amperas neabejotinai labai prisidėjo prie šio proceso, suteikdamas civilizacijai elektromagnetus, elektros variklius ir telegrafą, kurie iki šiol plačiai naudojami.

Pabrėžkime pagrindinius Lorentzo atradimus.

Lorencas nustatė, kad magnetinis laukas veikia joje judančią dalelę, priversdamas ją judėti apskritimo lanku:

Lorenco jėga yra įcentrinė jėga, statmena greičio krypčiai. Pirmiausia Lorentzo atrastas dėsnis leidžia nustatyti tokius svarbiausia savybė, kaip krūvio ir masės santykis - konkretus mokestis.

Konkretaus krūvio vertė yra unikali kiekvienos įkrautos dalelės vertė, leidžianti jas identifikuoti, nesvarbu, ar tai būtų elektronas, protonas ar bet kuri kita dalelė. Taigi mokslininkai gavo galingą tyrimo įrankį. Pavyzdžiui, Rutherfordas sugebėjo analizuoti radioaktyvioji spinduliuotė ir nustatė jo komponentus, tarp kurių yra alfa dalelių – helio atomo branduolių – ir beta dalelių – elektronų.

Dvidešimtajame amžiuje atsirado greitintuvai, kurių darbas pagrįstas tuo, kad įkrautos dalelės pagreitinamos magnetiniame lauke. Magnetinis laukas lenkia dalelių trajektorijas (9 pav.). Pėdsako lenkimo kryptis leidžia spręsti apie dalelės krūvio ženklą; matuojant trajektorijos spindulį, galima nustatyti dalelės greitį, jei žinoma jos masė ir krūvis.

Ryžiai. 9. Dalelių trajektorijos kreivumas magnetiniame lauke

Šiuo principu buvo sukurtas Didysis hadronų greitintuvas (10 pav.). Lorentzo atradimų dėka mokslas gavo iš esmės naują fizinių tyrimų įrankį, atveriantį kelią į elementariųjų dalelių pasaulį.

Ryžiai. 10. Didysis hadronų greitintuvas

Norėdami apibūdinti mokslininko įtaką technologijų pažangai, prisiminkime, kad iš Lorenco jėgos išraiškos galima apskaičiuoti dalelės, judančios pastoviame magnetiniame lauke, trajektorijos kreivio spindulį. Su nepakitusiu išorinės sąlygosšis spindulys priklauso nuo dalelės masės, jos greičio ir krūvio. Taigi mes gauname galimybę klasifikuoti įkrautas daleles pagal šiuos parametrus ir todėl galime analizuoti bet kokį mišinį. Jei dujinės būsenos medžiagų mišinys yra jonizuojamas, išsklaidomas ir nukreipiamas į magnetinį lauką, tada dalelės pradės judėti skirtingo spindulio apskritimų lankais - dalelės paliks lauką skirtinguose taškuose, ir lieka tik sutvarkyti šiuos išvykimo taškus, o tai įgyvendinama naudojant ekraną, padengtą fosforu, kuris šviečia, kai į jį patenka įkrautos dalelės. Tai veikia būtent taip masės analizatorius(11 pav.) . Masės analizatoriai plačiai naudojami fizikoje ir chemijoje mišinių sudėčiai analizuoti.

Ryžiai. 11. Masės analizatorius

Tai ne visi techniniai prietaisai, kurie veikia remiantis Ampere'o ir Lorentzo raidomis ir atradimais, nes anksčiau ar vėliau mokslinės žinios nustoja būti išskirtine mokslininkų nuosavybe ir tampa civilizacijos nuosavybe, o įkūnijamos įvairiose techninėse srityse. prietaisai, kurie daro mūsų gyvenimą patogesnį.

Bibliografija

1. Kasjanovas V.A., Fizika 11 klasė: Vadovėlis. bendrajam lavinimui institucijose. – 4 leid., stereotipas. - M.: Bustard, 2004. - 416 p.: iliustr., 8 p. plk. įskaitant
2. Gendenstein L.E., Dick Yu.I., Fizika 11. - M .: Mnemosyne.
3. Tikhomirova S.A., Yarovsky B.M., Fizika 11. - M.: Mnemosyne.

1. Interneto portalas „Chip and Dip“ ().
2. Interneto portalas „Kijevo miesto biblioteka“ ().
3. Interneto portalas „Institutas Nuotolinis mokymas» ().

Namų darbai

1. Kasjanovas V.A., Fizika 11 klasė: Vadovėlis. bendrajam lavinimui institucijose. – 4 leid., stereotipas. - M.: Bustard, 2004. - 416 p.: iliustr., 8 p. plk. įskaitant str. 88, c. 1-5.

2. Debesų kameroje, patalpintoje į vienodą magnetinį lauką su 1,5 T indukcija, alfa dalelė, skrendanti statmenai indukcijos linijoms, palieka apskritimo spindulio lanko pavidalo pėdsaką. 2,7 cm.. Nustatykite impulsą ir kinetinė energija dalelių. Alfa dalelės masė yra 6,7∙10–27 kg, o krūvis – 3,2∙10–19 C.

3. Masių spektrografas. Jonų pluoštas, pagreitintas 4 kV potencialų skirtumu, skrenda į vienodą magnetinį lauką, kurio magnetinė indukcija yra 80 mT statmenai magnetinės indukcijos linijoms. Spindulį sudaro dviejų tipų jonai, kurių molekulinė masė yra 0,02 kg/mol ir 0,022 kg/mol. Visų jonų krūvis yra 1,6 ∙ 10 -19 C. Iš lauko jonai išskrenda dviem spinduliais (5 pav.). Raskite atstumą tarp skleidžiamų jonų pluoštų.

4. * Naudodami nuolatinės srovės variklį, pakelkite kabelio apkrovą. Jei elektros variklis yra atjungtas nuo įtampos šaltinio, o rotorius yra trumpas, apkrova mažės pastoviu greičiu. Paaiškinkite šį reiškinį. Kokią formą įgauna apkrovos potencinė energija?

Jėgos, veikiančios išoriniame elektromagnetiniame lauke judantį elektros krūvį, atsiradimas

Animacija

apibūdinimas

Lorenco jėga yra jėga, veikianti įkrautą dalelę, judančią išoriniame elektromagnetiniame lauke.

Lorenco jėgos (F) formulė pirmą kartą buvo gauta apibendrinus H.A. eksperimentinius faktus. Lorentzas 1892 m. ir pristatė veikale „Maksvelo elektromagnetinė teorija ir jos taikymas judantiems kūnams“. Atrodo:

F = qE + q, (1)

kur q yra įkrauta dalelė;

E - elektrinio lauko stiprumas;

B – magnetinės indukcijos vektorius, nepriklausomas nuo krūvio dydžio ir jo judėjimo greičio;

V yra įkrautos dalelės greičio vektorius koordinačių sistemos, kurioje apskaičiuojamos F ir B reikšmės, atžvilgiu.

Pirmasis narys dešinėje (1) lygties pusėje yra jėga, veikianti įkrautą dalelę elektriniame lauke F E \u003d qE, antrasis narys yra jėga, veikianti magnetiniame lauke:

F m = q. (2)

Formulė (1) yra universali. Jis galioja tiek pastoviems, tiek kintamiems jėgos laukams, taip pat bet kokiai įkrautos dalelės greičio vertei. Tai svarbus elektrodinamikos ryšys, nes leidžia susieti elektromagnetinio lauko lygtis su įkrautų dalelių judėjimo lygtimis.

Nereliatyvistiniu aproksimavimu jėga F, kaip ir bet kuri kita jėga, nepriklauso nuo inercinės atskaitos sistemos pasirinkimo. Tuo pačiu metu Lorenco jėgos F m magnetinė dedamoji keičiasi pereinant iš vieno atskaitos kadro į kitą dėl greičio pasikeitimo, todėl keisis ir elektrinė dedamoji F E. Šiuo atžvilgiu jėgos F padalijimas į magnetinę ir elektrinę yra prasmingas tik nurodant atskaitos sistemą.

Skaliarinėje formoje išraiška (2) turi tokią formą:

Fм = qVBsina , (3)

kur a yra kampas tarp greičio ir magnetinės indukcijos vektorių.

Taigi Lorenco jėgos magnetinė dalis yra didžiausia, jei dalelių judėjimo kryptis yra statmena magnetiniam laukui (a = p /2), ir lygi nuliui, jei dalelė juda pagal lauko B kryptį (a = 0). .

Magnetinė jėga F m proporcinga vektorinei sandaugai, t.y. jis yra statmenas įkrautos dalelės greičio vektoriui ir todėl neveikia krūvio. Tai reiškia, kad nuolatiniame magnetiniame lauke, veikiant magnetinei jėgai, sulenkiama tik judančios įkrautos dalelės trajektorija, tačiau jos energija visada išlieka nepakitusi, kad ir kaip dalelė judėtų.

Magnetinės jėgos kryptis teigiamam krūviui nustatoma pagal vektorinę sandaugą (1 pav.).

Jėgos, veikiančios teigiamą krūvį magnetiniame lauke, kryptis

Ryžiai. vienas

Neigiamam krūviui (elektronui) magnetinė jėga nukreipiama priešinga kryptimi (2 pav.).

Lorenco jėgos, veikiančios elektroną magnetiniame lauke, kryptis

Ryžiai. 2

Magnetinis laukas B nukreiptas į skaitytuvą statmenai brėžiniui. Elektrinio lauko nėra.

Jei magnetinis laukas yra vienodas ir nukreiptas statmenai greičiui, m masės krūvis juda apskritimu. Apskritimo R spindulys nustatomas pagal formulę:

kur yra dalelės specifinis krūvis.

Dalelės apsisukimo laikotarpis (vieno apsisukimo laikas) nepriklauso nuo greičio, jei dalelės greitis yra daug mažesnis už šviesos greitį vakuume. Priešingu atveju dalelės apsisukimo laikotarpis padidėja dėl reliatyvistinės masės padidėjimo.

Nereliatyvios dalelės atveju:

kur yra dalelės specifinis krūvis.

Vakuume vienodame magnetiniame lauke, jei greičio vektorius nėra statmenas magnetinės indukcijos vektoriui (a№p /2), įkrauta dalelė, veikiama Lorenco jėgos (jos magnetinė dalis), juda išilgai spiralės su pastovus greitis V. Šiuo atveju jo judėjimas susideda iš vienodo tiesinio judėjimo magnetinio lauko B kryptimi greičiu ir vienodo sukimosi judėjimo plokštumoje, statmenoje laukui B greičiu (2 pav.).

Dalelės trajektorijos projekcija plokštumoje, statmenoje B, yra spindulio apskritimas:

dalelių apsisukimo laikotarpis:

Atstumas h, kurį dalelė nukeliauja per laiką T išilgai magnetinio lauko B (spiralinės trajektorijos žingsnis), nustatomas pagal formulę:

h = Vcos a T . (6)

Sraigės ašis sutampa su lauko kryptimi В, apskritimo centras juda išilgai jėgos lauko linijos (3 pav.).

Įkrautos dalelės, skrendančios kampu, judėjimas a№p /2 į magnetinį lauką B

Ryžiai. 3

Elektrinio lauko nėra.

Jei elektrinis laukas E yra 0, judėjimas yra sudėtingesnis.

Konkrečiu atveju, jei vektoriai E ir B yra lygiagretūs, judėjimo metu keičiasi greičio dedamoji V 11 , lygiagreti magnetiniam laukui, dėl to pasikeičia sraigtinės trajektorijos (6) žingsnis.

Tuo atveju, kai E ir B nėra lygiagrečios, dalelės sukimosi centras, vadinamas dreifu, juda statmenai laukui B. Nustatyta dreifo kryptis vektorinis produktas ir nepriklauso nuo krūvio ženklo.

Magnetinio lauko poveikis judančioms įkrautoms dalelėms lemia srovės perskirstymą per laidininko skerspjūvį, kuris pasireiškia termomagnetiniais ir galvanomagnetiniais reiškiniais.

Poveikį atrado olandų fizikas H.A. Lorencas (1853-1928).

Laikas

Iniciacijos laikas (log nuo -15 iki -15);

Visą gyvenimą (log tc nuo 15 iki 15);

Degradacijos laikas (log td -15 iki -15);

Optimalus kūrimo laikas (log tk -12 iki 3).

Diagrama:

Techninės efekto realizacijos

Lorenco pajėgų veiksmų techninis įgyvendinimas

Tiesioginio Lorenco jėgos poveikio judančiam krūviui stebėjimo eksperimento techninis įgyvendinimas paprastai yra gana sudėtingas, nes atitinkamos įkrautos dalelės turi būdingą molekulinį dydį. Todėl norint stebėti jų trajektoriją magnetiniame lauke, reikia evakuoti darbinį tūrį, kad būtų išvengta trajektoriją iškreipiančių susidūrimų. Taigi, kaip taisyklė, tokios demonstracinės instaliacijos nėra specialiai kuriamos. Lengviausias būdas parodyti yra naudoti standartinį Nier sektoriaus magnetinės masės analizatorių, žr. efektą 409005, kuris visiškai pagrįstas Lorenco jėga.

Efekto taikymas

Tipiškas pritaikymas inžinerijoje yra Holo jutiklis, plačiai naudojamas matavimo technologijoje.

Į magnetinį lauką B dedama metalinė arba puslaidininkinė plokštė. Per ją leidžiant magnetiniam laukui statmena kryptimi j tankio elektros srovę, plokštelėje susidaro skersinis elektrinis laukas, kurio stipris E yra statmenas ir vektoriams j, ir B. Matavimo duomenimis randamas V.

Šis poveikis paaiškinamas Lorenco jėgos poveikiu judančiam krūviui.

Galvanomagnetiniai magnetometrai. Masių spektrometrai. Įkrautų dalelių greitintuvai. Magnetohidrodinaminiai generatoriai.

Literatūra

1. Sivukhin D.V. Bendrasis fizikos kursas.- M.: Nauka, 1977.- V.3. Elektra.

2. Fizinis enciklopedinis žodynas.- M., 1983m.

3. Detlafas A.A., Yavorsky B.M. Fizikos kursas.- M.: baigti mokyklą, 1989.

Raktažodžiai

• elektros krūvis
• magnetinė indukcija
• magnetinis laukas
• elektrinio lauko stiprumas
• Lorenco jėga
• dalelių greitis
• apskritimo spindulys
• cirkuliacijos laikotarpis
• spiralinės trajektorijos žingsnis
• elektronas
• protonas
• pozitronas

Gamtos mokslų sekcijos:

Jėga, kurią magnetinis laukas veikia judančią elektriškai įkrautą dalelę.

čia q yra dalelių krūvis;

V - įkrovimo greitis;

a – kampas tarp krūvio greičio vektoriaus ir magnetinės indukcijos vektoriaus.

Nustatyta Lorenco jėgos kryptis kairės rankos taisyklė:

Jei įdėti kairiarankis taip, kad indukcijos vektoriaus dedamoji, statmena greičiui, patektų į delną, o keturi pirštai būtų teigiamo krūvio greičio kryptimi (arba prieš neigiamo krūvio greičio kryptį), tada sulenktas nykštys bus nurodykite Lorenco jėgos kryptį:

.

Kadangi Lorenco jėga visada yra statmena krūvio greičiui, ji neveikia (t. y. nekeičia krūvio greičio dydžio ir jo kinetinės energijos).

Jei įkrauta dalelė juda lygiagrečiai magnetinio lauko linijoms, tada Fl \u003d 0, o krūvis magnetiniame lauke juda tolygiai ir tiesiai.

Jei įkrauta dalelė juda statmenai magnetinio lauko linijoms, tada Lorenco jėga yra įcentrinė:

ir sukuria įcentrinį pagreitį, lygų:

Šiuo atveju dalelė juda ratu.

.

Pagal antrąjį Niutono dėsnį: Lorenco jėga yra lygi dalelės masės ir įcentrinio pagreičio sandaugai:

tada apskritimo spindulys yra:

ir krūvio cirkuliacijos magnetiniame lauke periodas:

Kadangi elektros srovė yra tvarkingas krūvių judėjimas, magnetinio lauko poveikis srovę nešančiam laidininkui yra jo veikimo atskiriems judantiems krūviams rezultatas. Jei į magnetinį lauką įvesime srovės laidininką (96 pav., a), pamatysime, kad pridėjus magneto ir laidininko magnetinius laukus, susidaręs magnetinis laukas padidės ant vieno. laidininko pusėje (aukščiau esančiame brėžinyje), o magnetinis laukas susilpnės kitoje laidininko pusėje (toliau pateiktame brėžinyje). Dėl dviejų magnetinių laukų veikimo magnetinės linijos bus išlenktos ir, bandydamos susitraukti, nustums laidininką žemyn (96 pav., b).

Jėgos, veikiančios srovę nešantį laidininką magnetiniame lauke, kryptį galima nustatyti pagal „kairiosios rankos taisyklę“. Jei kairė ranka įdėta į magnetinį lauką taip, kad iš šiaurinio ašigalio išeinančios magnetinės linijos tarsi patektų į delną, o keturi ištiesti pirštai sutampa su srovės kryptimi laidininke, tada sulenktas nykštys. ranka parodys jėgos kryptį. Amperinė jėga, veikianti laidininko ilgio elementą, priklauso: nuo magnetinės indukcijos B dydžio, srovės stiprumo I laidininke, nuo laidininko ilgio elemento ir nuo kampo a sinuso tarpo. laidininko ilgio elemento kryptis ir magnetinio lauko kryptis.

Šią priklausomybę galima išreikšti formule:

Ribinio ilgio tiesiniam laidininkui, pastatytam statmenai vienodo magnetinio lauko krypčiai, laidininką veikianti jėga bus lygi:

Pagal paskutinę formulę nustatome magnetinės indukcijos matmenį.

Kadangi jėgos matmuo yra:

y., indukcijos matmuo yra toks pat, kaip ir gautas iš Bioto ir Savarto dėsnio.

Tesla (magnetinės indukcijos vienetas)

Tesla, magnetinės indukcijos vienetas Tarptautinė vienetų sistemos, lygus magnetinė indukcija, su kuria magnetinis srautas per 1 ploto skerspjūvį m 2 lygu 1 weberis. Pavadintas N. Tesla. Pavadinimai: rusiški tl, tarptautinis T. 1 tl = 104 gs(gauss).

Magnetinis sukimo momentas, magnetinis dipolio momentas– pagrindinė charakterizuojanti vertybė magnetines savybes medžiagų. Magnetinis momentas matuojamas A⋅m 2 arba J / T (SI), arba erg / Gs (CGS), 1 erg / Gs \u003d 10 -3 J / T. Specifinis elementaraus magnetinio momento vienetas yra Boro magnetonas. Esant plokščiam kontūrui su elektros šokas magnetinis momentas apskaičiuojamas kaip

kur yra srovės stipris grandinėje, yra grandinės plotas, yra grandinės plokštumos normalės vienetinis vektorius. Magnetinio momento kryptis dažniausiai randama pagal įstrižainės taisyklę: jei pasukate rankenėlę srovės kryptimi, tada magnetinio momento kryptis sutaps su kryptimi. judėjimas į priekį gimlet.

Savavališkai uždaros kilpos magnetinis momentas randamas iš:

,

kur yra spindulio vektorius, nubrėžtas nuo pradžios iki kontūro ilgio elemento

Bendruoju savavališko srovių pasiskirstymo terpėje atveju:

,

kur yra srovės tankis tūrio elemente.

Taigi, sukimo momentas veikia grandinę su srove magnetiniame lauke. Kontūras orientuojamas tam tikrame lauko taške tik vienu būdu. Laikykime teigiamą normaliosios krypties magnetinio lauko kryptį tam tikrame taške. Sukimo momentas yra tiesiogiai proporcingas srovei aš, kontūro plotas S o kampo tarp magnetinio lauko krypties ir normaliosios sinuso .

čia M - sukimo momentas , arba galios momentas , - magnetinis momentas kontūras (panašiai – dipolio elektrinis momentas).

Nehomogeniškame lauke () formulė galioja, jei kontūro dydis yra pakankamai mažas(tada laukas gali būti laikomas maždaug vienalyčiu kontūro viduje). Vadinasi, srovę nešanti grandinė vis tiek linkusi apsisukti taip, kad jos magnetinis momentas būtų nukreiptas išilgai vektoriaus linijų.

Bet, be to, susidaranti jėga veikia grandinę (vienodo lauko atveju ir. Ši jėga su momentu veikia srovę nešančią grandinę arba nuolatinį magnetą ir įtraukia juos į stipresnio magnetinio lauko sritį. .
Darbas judinant grandinę su srove magnetiniame lauke.

Nesunku įrodyti, kad darbas, atliktas norint perkelti grandinę su srove magnetiniame lauke, yra lygus , kur ir - magnetiniai srautai per grandinės sritį galutinėje ir pradinėje padėtyse. Ši formulė galioja, jei srovė grandinėje yra pastovi, t.y. judant kontūrą, neatsižvelgiama į elektromagnetinės indukcijos reiškinį.

Formulė taip pat galioja dideliems kontūrams labai nevienalyčiame magnetiniame lauke (esant sąlygai aš = const).

Galiausiai, jei ne išstumiama srovę nešanti grandinė, o pakeičiamas magnetinis laukas, t.y. pakeisti magnetinį srautą per paviršių, kurį dengia kontūras, nuo vertės iki tada, kad tam reikia atlikti tą patį darbą . Šis darbas vadinamas magnetinio srauto, susieto su grandine, keitimo darbu. Magnetinės indukcijos vektoriaus srautas (magnetinis srautas) per plotą dS vadinamas skaliariniu fizinis kiekis, kuris yra lygus

čia B n =Вcosα yra vektoriaus projekcija ATį normaliosios kryptį į plotą dS (α yra kampas tarp vektorių n ir AT), d S= dS n yra vektorius, kurio modulis lygus dS, o jo kryptis sutampa su normaliojo kryptimi nį svetainę. Vektoriaus srautas AT gali būti ir teigiamas, ir neigiamas, priklausomai nuo cosα ženklo (nustatytas pasirenkant teigiamą normalaus kryptį n). Vektoriaus srautas AT paprastai siejama su grandine, kuria teka srovė. Šiuo atveju mes nustatome teigiamą normaliosios krypties kontūrą: ji yra susieta su srove pagal dešiniojo varžto taisyklę. Tai reiškia, kad magnetinis srautas, kurį sukuria kontūras per savaime apribotą paviršių, visada yra teigiamas.

Magnetinės indukcijos vektoriaus Ф B srautas per savavališką duoto paviršiaus S yra

(2)

Vienodam laukui ir plokščiam paviršiui, statmenam vektoriui AT, B n =B = pastovus ir

Pagal šią formulę nustatomas magnetinio srauto vienetas weberis(Wb): 1 Wb - magnetinis srautas, einantis per plokščią 1 m 2 ploto paviršių, esantį statmenai vienodam magnetiniam laukui ir kurio indukcija yra 1 T (1 Wb \u003d 1 Tl.m 2).

Gauso teorema laukui B: magnetinės indukcijos vektoriaus srautas per bet kurį uždarą paviršių yra lygus nuliui:

(3)

Ši teorema atspindi faktą, kad jokių magnetinių krūvių, dėl to magnetinės indukcijos linijos neturi nei pradžios, nei pabaigos ir yra uždaros.

Todėl vektoriniams srautams AT ir E per uždarą paviršių sūkuryje ir potencialo laukuose gaunamos skirtingos formulės.

Kaip pavyzdį suraskime vektoriaus srautą AT per solenoidą. Vienodo lauko magnetinė indukcija solenoido viduje su šerdimi, kurios magnetinis pralaidumas μ yra lygi

Magnetinis srautas per vieną solenoido, kurio plotas S, apsisukimą yra lygus

ir bendras magnetinis srautas, susietas su visais solenoido posūkiais ir vadinamas srauto jungtis,

ŠVIETIMO IR MOKSLO MINISTERIJA

RUSIJOS FEDERACIJA

FEDERALINĖS VALSTYBĖS BIUDŽETO AUKŠTOJO PROFESINIO MOKYMO INSTITUCIJA

"KURGANO VALSTYBINIS UNIVERSITETAS"

ESĖ

Dalyko „Fizika“ tema: „Lorenco jėgos taikymas“

Baigė: Mokinių grupė T-10915 Logunova M.V.

Mokytojas Vorontsovas B.S.

Kurganas 2016 m

3 įvadas

1. Lorenco jėgos naudojimas 4

1.1. Katodinių spindulių prietaisai 4

1.2 Masių spektrometrija 5

1,3 MHD generatorius 7

1.4 Cyclotron 8

10 išvada

Literatūra 11

Įvadas

Lorenco jėga- jėga, kuria elektromagnetinis laukas, pagal klasikinę (nekvantinę) elektrodinamiką, veikia taškinio krūvio dalelę. Kartais Lorenco jėga vadinama jėga, veikiančia judėjimą greičiu υ mokestis q tik iš magnetinio lauko pusės, dažnai visa jėga - iš elektromagnetinio lauko apskritai, kitaip tariant, iš elektros pusės E nemagnetinis B laukai.

Tarptautinėje vienetų sistemoje (SI) jis išreiškiamas taip:

F L = qυ B sinα

Jis pavadintas olandų fiziko Hendriko Lorenzo, kuris 1892 m. sukūrė šios jėgos išraišką, vardu. Prieš trejus metus prieš Lorentzą teisingą posakį rado O. Heaviside.

Makroskopinis Lorenco jėgos pasireiškimas yra Ampero jėga.

Naudojant Lorenco jėgą

Magnetinio lauko veikimas judančioms įkrautoms dalelėms yra labai plačiai naudojamas technikoje.

Pagrindinis Lorenco jėgos pritaikymas (tiksliau, ypatingas atvejis – Ampero jėga) yra elektros mašinos (elektros varikliai ir generatoriai). Lorenco jėga plačiai naudojama elektroniniuose prietaisuose, kurie veikia įkrautas daleles (elektronus, o kartais ir jonus), pavyzdžiui, televizijoje. katodinių spindulių vamzdžiai, in masių spektrometrija ir MHD generatoriai.

Taip pat šiuo metu sukurtose eksperimentinėse patalpose, skirtose kontroliuojamai termobranduolinei reakcijai įgyvendinti, magnetinio lauko veikimas plazmoje yra susukamas į laidą, kuris neliečia darbo kameros sienelių. Įkrautų dalelių judėjimas apskritime vienodame magnetiniame lauke ir tokio judėjimo laikotarpio nepriklausomybė nuo dalelės greičio naudojami cikliniuose įkrautų dalelių greitintuvuose - ciklotronai.

1. Elektronų pluošto įtaisai

Elektronų pluošto įtaisai (EBD) - vakuuminių elektroninių prietaisų klasė, kuri naudoja elektronų srautą, koncentruotą vieno pluošto arba pluoštų pluošto pavidalu, valdomus tiek intensyvumu (srove), tiek padėtimi erdvėje ir sąveikauja su fiksuotas įrenginio erdvinis taikinys (ekranas). Pagrindinė ELP taikymo sritis yra optinės informacijos pavertimas elektriniais signalais ir atvirkštinis elektrinio signalo pavertimas optiniu, pavyzdžiui, matomu televizijos vaizdu.

Į katodinių spindulių prietaisų klasę neįeina rentgeno lempos, fotoelementai, fotodaugintuvai, dujų išlydžio įtaisai (dekatronai) ir priimančios-stiprinančios elektroninės lempos (pluošto tetrodai, elektriniai vakuuminiai indikatoriai, antrinės emisijos lempos ir kt.) su spinduliu. srovių forma.

Elektronų pluošto įtaisas susideda iš mažiausiai trijų pagrindinių dalių:

Elektroninis prožektorius (pistoletas) formuoja elektronų pluoštą (arba pluoštą, pavyzdžiui, trijų pluoštų spalvotame kineskope) ir valdo jo intensyvumą (srovę);

Nukreipimo sistema valdo spindulio erdvinę padėtį (jo nukrypimą nuo prožektoriaus ašies);

Priimančiojo ELP taikinys (ekranas) paverčia pluošto energiją į matomo vaizdo šviesos srautą; perduodančio ar saugojančio ELP taikinys kaupia erdvinio potencialo reljefą, nuskaitytą skenuojančio elektronų pluošto

Ryžiai. 1 CRT įrenginys

Bendrieji prietaiso veikimo principai.

CRT bake sukuriamas gilus vakuumas. Norint sukurti elektronų pluoštą, naudojamas prietaisas, vadinamas elektronų pistoletu. Kaitinamojo siūlelio įkaitintas katodas skleidžia elektronus. Keisdami valdymo elektrodo (moduliatoriaus) įtampą, galite pakeisti elektronų pluošto intensyvumą ir atitinkamai vaizdo ryškumą. Palikę ginklą, elektronai greitinami anodu. Tada spindulys praeina per nukreipimo sistemą, kuri gali pakeisti spindulio kryptį. Televizijos CRT naudojama magnetinio nukreipimo sistema, nes ji suteikia didelius nukreipimo kampus. Osciloskopuose CRT naudojama elektrostatinė nukreipimo sistema, nes ji užtikrina greitesnį atsaką. Elektronų pluoštas patenka į ekraną, padengtą fosforu. Nuo elektronų bombardavimo fosforas šviečia, o greitai judanti kintamo ryškumo dėmė sukuria vaizdą ekrane.

2 Masių spektrometrija

Ryžiai. 2

Lorenco jėgos veikimas taip pat naudojamas įrenginiuose, vadinamuose masės spektrografais, kurie skirti atskirti įkrautas daleles pagal specifinius jų krūvius.

Masių spektrometrija(masių spektroskopija, masių spektrografija, masių spektrinė analizė, masių spektrometrinė analizė) – medžiagos tyrimo metodas, pagrįstas jonų masės ir krūvio santykio nustatymu jonizuojant dominančius mėginio komponentus. Vienas iš galingiausių kokybinio medžiagų identifikavimo metodų, leidžiantis ir kiekybiškai nustatyti. Galima sakyti, kad masės spektrometrija yra mėginyje esančių molekulių „svėrimas“.

Paprasčiausio masių spektrografo schema parodyta 2 pav.

1 kameroje, iš kurios pašalinamas oras, yra jonų šaltinis 3. Kameroje yra tolygus magnetinis laukas, kurio kiekviename taške indukcija B⃗B → yra statmena brėžinio plokštumai ir nukreipta į mus ( 1 paveiksle šis laukas pažymėtas apskritimais). Tarp elektrodų A ir B yra veikiama greitinamoji įtampa, kurią veikiant iš šaltinio skleidžiami jonai pagreitėja ir tam tikru greičiu, statmenai indukcijos linijoms, patenka į magnetinį lauką. Judėdami magnetiniame lauke apskritimo lanku, jonai patenka ant fotografinės plokštės 2, todėl galima nustatyti šio lanko spindulį R. Žinant magnetinio lauko B indukciją ir jonų greitį υ, pagal formulę

(1)

galima nustatyti specifinį jonų krūvį. O jei žinomas jono krūvis, galima apskaičiuoti jo masę.

Masių spektrometrijos istorija prasideda nuo esminių J. J. Thomsono eksperimentų XX amžiaus pradžioje. Metodo pavadinime esanti pabaiga „-metrija“ atsirado po plačiai paplitusio perėjimo nuo įkrautų dalelių aptikimo naudojant fotografines plokšteles prie elektrinių jonų srovių matavimų.

Masių spektrometrija ypač plačiai naudojama organinių medžiagų analizei, nes ji leidžia patikimai identifikuoti tiek gana paprastas, tiek sudėtingas molekules. Vienintelis bendras reikalavimas – kad molekulė būtų jonizuojama. Tačiau iki šiol tai buvo

yra tiek daug būdų, kaip jonizuoti mėginio komponentus, kad masės spektrometrija gali būti laikoma beveik universaliu metodu.

3 MHD generatorius

Magnetohidrodinaminis generatorius, MHD generatorius - elektrinė, kurioje magnetiniame lauke judančio darbinio skysčio (skystos arba dujinės elektrai laidžios terpės) energija tiesiogiai paverčiama elektros energija.

MHD generatoriaus, kaip ir įprasto mašininio generatoriaus, veikimo principas yra pagrįstas elektromagnetinės indukcijos reiškiniu, tai yra srovės atsiradimu laidininke, kertančiame magnetinio lauko linijas. Skirtingai nuo mašinų generatorių, MHD generatoriaus laidininkas yra pats darbinis skystis.

Darbinis kūnas juda skersai magnetinio lauko, o veikiant magnetiniam laukui atsiranda priešingos krypties priešingų ženklų krūvininkų srautai.

Lorenco jėga veikia įkrautą dalelę.

Šios laikmenos gali būti MHD generatoriaus darbinis korpusas:

Pirmieji MHD generatoriai naudojo elektrai laidžius skysčius (elektrolitus) kaip darbinį skystį. Šiuo metu naudojama plazma, kurioje krūvininkai daugiausia yra laisvieji elektronai ir teigiami jonai. Veikiami magnetinio lauko, krūvininkai nukrypsta nuo trajektorijos, kuria dujos judėtų, jei lauko nebūtų. Tokiu atveju stipriame magnetiniame lauke gali atsirasti Holo laukas (žr. Holo efektą) – elektrinis laukas, susidarantis dėl įkrautų dalelių susidūrimų ir poslinkių magnetiniam laukui statmenoje plokštumoje.

4 Ciklotronas

Ciklotronas – nereliatyvistinių sunkiųjų dalelių (protonų, jonų) rezonansinis ciklinis greitintuvas, kuriame dalelės juda pastoviame ir vienodame magnetiniame lauke, o joms pagreitinti naudojamas pastovaus dažnio aukšto dažnio elektrinis laukas.

Ciklotrono įrenginio schema parodyta 3 pav. Sunkiai įkrautos dalelės (protonai, jonai) patenka į kamerą iš injektoriaus, esančio šalia kameros centro ir yra pagreitinamos kintamo fiksuoto dažnio lauko, taikomo greitinamiesiems elektrodams (jų yra du ir jie vadinami dees). Dalelės, kurių krūvis Ze ir masė m, juda pastoviame B stiprumo magnetiniame lauke, nukreiptame statmenai dalelių judėjimo plokštumai, išilgai išsivyniojančios spiralės. Dalelės, kurios greitis v, trajektorijos spindulys R nustatomas pagal formulę

5 pav. Ciklotrono schema: vaizdas iš viršaus ir iš šono: 1 - sunkiųjų dalelių (protonų, jonų) šaltinis, 2 - pagreitintos dalelės orbita, 3 - greitinamieji elektrodai (dees), 4 - greitinančio lauko generatorius, 5 - elektromagnetas. Rodyklės rodo magnetinio lauko linijas). Jie yra statmeni viršutinės figūros plokštumai.

kur γ = -1/2 yra reliatyvistinis koeficientas.

Ciklotrone nereliatyvistinei (γ ≈ 1) dalelei pastoviame ir vienodame magnetiniame lauke orbitos spindulys yra proporcingas greičiui (1) ir nereliatyvistinės dalelės sukimosi dažniui (ciklotrono dažnis nepriklauso nuo dalelės energijos

(2)

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

Tarpe tarp dees daleles pagreitina impulsinis elektrinis laukas (tuščiavidurių metalinių dešų viduje elektrinio lauko nėra). Dėl to didėja orbitos energija ir spindulys. Kartojant pagreitį elektriniu lauku kiekvieno apsisukimo metu, orbitos energija ir spindulys padidinami iki didžiausių leistinų verčių. Šiuo atveju dalelės įgyja greitį v = ZeBR/m ir jį atitinkančią energiją:

Paskutiniame spiralės posūkyje įjungiamas nukreipiantis elektrinis laukas, kuris išveda spindulį. Dėl magnetinio lauko pastovumo ir greitėjančio lauko dažnio galimas nuolatinis pagreitis. Kai kurios dalelės juda išoriniais spiralės posūkiais, kitos yra kelio viduryje, o kitos tik pradeda judėti.

Ciklotrono trūkumas yra iš esmės nereliatyvistinių dalelių energijos apribojimas, nes net ir nelabai didelės reliatyvistinės pataisos (γ nukrypimai nuo vienybės) pažeidžia pagreičio sinchronizmą įvairiuose posūkiuose ir dalelės, kurių energija žymiai padidinta, nebeturi laiko būti. plyšyje tarp dees pagreičiui būtino elektrinio lauko fazėje . Įprastuose ciklotronuose protonai gali būti pagreitinti iki 20-25 MeV.

Norint pagreitinti sunkiąsias daleles išsivyniojančios spiralės režimu iki dešimtis kartų didesnės energijos (iki 1000 MeV), naudojama ciklotrono modifikacija, vadinama izochroninis(reliatyvistinis) ciklotronas, taip pat fasotronas. Izochroniniuose ciklotronuose reliatyvistinį poveikį kompensuoja radialinis magnetinio lauko padidėjimas.

Išvada

Paslėptas tekstas

Išvada raštu (paprasčiausia visoms pirmo skyriaus pastraipoms – veikimo principai, apibrėžimai)

Naudotos literatūros sąrašas

Vikipedija [ Elektroninis šaltinis]: Lorenco jėga. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Lorenz_force

Vikipedija [Elektroninis išteklius]: Magnetohidrodinaminis generatorius. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Magnetohydrodynamic_generator

Vikipedija [elektroninis išteklius]: elektroninio pluošto įrenginiai. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/electron-beam_devices

Vikipedija [Elektroninis išteklius]: Masių spektrometrija. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Masių spektrometrija

Branduolinė fizika internete [Elektroninis išteklius]: Cyclotron. URL: http://nuclphys.sinp.msu.ru/experiment/accelerators/ciclotron.htm

Elektroninis fizikos vadovėlis [Elektroninis išteklius]: T. Lorenco jėgos taikymas //URL: http://www.physbook.ru/index.php/ T._Application_of_Lorentz_force

Akademikas [Elektroninis išteklius]: Magnetohidrodinaminis generatorius //URL: http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/MAGNETOHYDRODYNAMIC