Lorentz kraft. Generelle prinsipper for enheten

ABSTRAKT

I faget "Fysikk"
Emne: «Anvendelse av Lorentz-styrken»

Fullført av: Student av gruppe T-10915 Logunova M.V.

Lærer Vorontsov B.S.

Kurgan 2016

Introduksjon. 3

1. Bruk av Lorentz-styrken. 4

.. 4

1. 2 Massespektrometri. 6

1. 3 MHD generator. 7

1. 4 Syklotron. 8

Konklusjon. elleve

Liste over brukt litteratur... 13

Introduksjon

Lorentz kraft- kraften som det elektromagnetiske feltet, i henhold til klassisk (ikke-kvante) elektrodynamikk, virker på en punktladet partikkel. Noen ganger kalles Lorentz-kraften kraften som virker på et objekt i bevegelse med hastighet υ lade q bare fra utsiden magnetfelt, ofte full styrke - fra det elektromagnetiske feltet generelt, med andre ord fra det elektriske E og magnetisk B Enger.

I Internasjonalt system enheter (SI) er uttrykt som:

F L = q υ B synd α

Den er oppkalt etter den nederlandske fysikeren Hendrik Lorentz, som avledet et uttrykk for denne kraften i 1892. Tre år før Lorenz ble det korrekte uttrykket funnet av O. Heaviside.

Den makroskopiske manifestasjonen av Lorentz-kraften er Ampere-kraften.

Ved å bruke Lorentz-styrken

Effekten som utøves av et magnetfelt på bevegelige ladede partikler er svært mye brukt i teknologi.

Hovedanvendelsen av Lorentz-kraften (mer presist, dens spesielle tilfelle - Ampere-kraften) er elektriske maskiner (elektriske motorer og generatorer). Lorentz-kraften er mye brukt i elektroniske enheter for å påvirke ladede partikler (elektroner og noen ganger ioner), for eksempel i TV katodestrålerør, V massespektrometri Og MHD generatorer.

I for tiden opprettede eksperimentelle installasjoner for å utføre en kontrollert termonukleær reaksjon, brukes virkningen av et magnetisk felt på plasmaet til å vri det til en ledning som ikke berører veggene i arbeidskammeret. Den sirkulære bevegelsen til ladede partikler i et jevnt magnetfelt og uavhengigheten av perioden for slik bevegelse fra partikkelhastigheten brukes i sykliske akseleratorer av ladede partikler - syklotroner.

1. 1. Elektronstråleenheter

Elektronstråleenheter (EBD) er en klasse av vakuumelektroniske enheter som bruker en strøm av elektroner, konsentrert i form av en enkelt stråle eller stråle av stråler, som kontrolleres både i intensitet (strøm) og posisjon i rommet, og samhandler med et stasjonært romlig mål (skjerm) for enheten. Hovedanvendelsesområdet for ELP er konvertering av optisk informasjon til elektriske signaler og omvendt konvertering av det elektriske signalet til et optisk signal - for eksempel til et synlig TV-bilde.

Klassen av katodestråleenheter inkluderer ikke røntgenrør, fotoceller, fotomultiplikatorer, gassutladningsenheter (dekatroner) og mottakende og forsterkende elektronrør (stråletetroder, elektriske vakuumindikatorer, lamper med sekundær emisjon osv.) med en stråleform av strømmer.

En elektronstråleenhet består av minst tre hoveddeler:

· En elektronisk spotlight (pistol) danner en elektronstråle (eller en stråle av stråler, for eksempel tre stråler i et fargebilderør) og kontrollerer dens intensitet (strøm);

· Avbøyningssystemet kontrollerer den romlige posisjonen til strålen (dens avvik fra aksen til søkelyset);

· Målet (skjermen) til den mottakende ELP konverterer energien til strålen til lysstrømmen til et synlig bilde; målet for den sendende eller lagrende ELP akkumulerer en romlig potensialavlastning, lest av en skanningselektronstråle

Ris. 1 CRT-enhet

Generelle prinsipper enheter.

Det skapes et dypt vakuum i CRT-sylinderen. For å lage en elektronstråle brukes en enhet som kalles en elektronkanon. Katoden, oppvarmet av filamentet, sender ut elektroner. Ved å endre spenningen på kontrollelektroden (modulator), kan du endre intensiteten til elektronstrålen og følgelig lysstyrken til bildet. Etter å ha forlatt pistolen, blir elektronene akselerert av anoden. Deretter går strålen gjennom et avbøyningssystem, som kan endre retningen på strålen. TV-CRT-er bruker et magnetisk avbøyningssystem da det gir store avbøyningsvinkler. Oscillografiske CRT-er bruker et elektrostatisk avbøyningssystem da det gir større ytelse. Elektronstrålen treffer en skjerm dekket med fosfor. Bombardert av elektroner lyser fosforet og et raskt bevegelig sted med variabel lysstyrke skaper et bilde på skjermen.

1. 2 Massespektrometri

Ris. 2

Lorentz-kraften brukes også i instrumenter kalt massespektrografer, som er designet for å skille ladede partikler i henhold til deres spesifikke ladninger.

Massespektrometri(massespektroskopi, massespektrografi, massespektralanalyse, massespektrometrisk analyse) - en metode for å studere et stoff basert på å bestemme masse-til-ladning-forholdet mellom ioner dannet ved ionisering av prøvekomponentene av interesse. En av de kraftigste måtene for kvalitativ identifikasjon av stoffer, som også tillater kvantitativ bestemmelse. Vi kan si at massespektrometri er "veiingen" av molekylene i en prøve.

Diagrammet av den enkleste massespektrografen er vist i figur 2.

I kammer 1, hvorfra luft er pumpet ut, er det en ionekilde 3. Kammeret er plassert i et jevnt magnetfelt, ved hvert punkt hvor induksjonen B⃗ B→ er vinkelrett på tegningens plan og rettet mot us (i figur 1 er dette feltet indikert med sirkler). En akselererende spenning påføres mellom elektrodene A og B, under påvirkning av hvilken ionene som sendes ut fra kilden akselereres og med en viss hastighet kommer inn i magnetfeltet vinkelrett på induksjonslinjene. Beveger seg i et magnetfelt langs en sirkelbue, faller ionene på fotografisk plate 2, noe som gjør det mulig å bestemme radius R til denne buen. Kjenne til magnetfeltinduksjonen B og hastigheten υ til ioner, i henhold til formelen

den spesifikke ladningen av ioner kan bestemmes. Og hvis ladningen til ionet er kjent, kan massen beregnes.

Massespektrometriens historie går tilbake til de mest sentrale eksperimentene til J. J. Thomson på begynnelsen av 1900-tallet. Slutten "-metri" i navnet på metoden dukket opp etter den utbredte overgangen fra å oppdage ladede partikler ved hjelp av fotografiske plater til elektriske målinger av ionestrømmer.

Spesielt bred applikasjon massespektrometri finner i analysen organisk materiale, siden det gir sikker identifikasjon av både relativt enkle og komplekse molekyler. Den eneste tingen generelt krav- slik at molekylet kan ioniseres. Men nå er det oppfunnet

Det er så mange måter å ionisere prøvekomponenter på at massespektrometri kan betraktes som en nesten altomfattende metode.

1. 3 MHD generator

Magnetohydrodynamisk generator, MHD generator - kraftverk, der energien til arbeidsfluidet (flytende eller gassformig elektrisk ledende medium) som beveger seg i et magnetfelt omdannes direkte til elektrisk energi.

Driftsprinsippet til en MHD-generator, som en konvensjonell maskingenerator, er basert på fenomenet elektromagnetisk induksjon, det vil si ved forekomsten av en strøm i en leder som krysser magnetfeltlinjene. I motsetning til maskingeneratorer er lederen i en MHD-generator selve arbeidsvæsken.

Arbeidsvæsken beveger seg over magnetfeltet, og under påvirkning av magnetfeltet oppstår motsatt rettede strømmer av ladningsbærere med motsatte fortegn.

Lorentz-kraften virker på en ladet partikkel.

Følgende medier kan tjene som arbeidsvæske til MHD-generatoren:

· elektrolytter;

· flytende metaller;

· plasma (ionisert gass).

De første MHD-generatorene brukte elektrisk ledende væsker (elektrolytter) som arbeidsvæske. For tiden brukes plasma der ladningsbærerne hovedsakelig er frie elektroner og positive ioner. Under påvirkning av et magnetisk felt avviker ladningsbærere fra banen som gassen vil bevege seg langs i fravær av feltet. I dette tilfellet, i et sterkt magnetfelt, kan det oppstå et Hall-felt (se Hall-effekt) - et elektrisk felt dannet som følge av kollisjoner og forskyvninger av ladede partikler i et plan vinkelrett på magnetfeltet.

1. 4 Syklotron

En syklotron er en resonanssyklisk akselerator av ikke-relativistiske tungt ladede partikler (protoner, ioner), der partiklene beveger seg i et konstant og jevnt magnetfelt, og et høyfrekvent elektrisk felt med konstant frekvens brukes til å akselerere dem.

Kretsskjemaet til syklotronen er vist i fig. 3. Tungt ladede partikler (protoner, ioner) kommer inn i kammeret fra en injektor nær midten av kammeret og akselereres av et vekselfelt med en fast frekvens påført akselerasjonselektrodene (det er to av dem og de kalles dees). Partikler med ladning Ze og masse m beveger seg i et konstant magnetfelt med intensitet B, rettet vinkelrett på partiklenes bevegelsesplan, i en avviklingsspiral. Radius R for banen til en partikkel med hastighet v bestemmes av formelen

hvor γ = -1/2 er den relativistiske faktoren.

I en syklotron, for en ikke-relativistisk (γ ≈ 1) partikkel i et konstant og ensartet magnetfelt, er baneradius proporsjonal med hastigheten (1), og rotasjonsfrekvensen til den ikke-relativistiske partikkelen (syklotronfrekvensen er ikke avhengig av partikkel energi

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

I gapet mellom deene blir partikler akselerert av en puls elektrisk felt(det er ikke noe elektrisk felt inne i hule metalldeer). Som et resultat øker energien og radiusen til banen. Ved å gjenta akselerasjonen av det elektriske feltet ved hver omdreining, bringes energien og radiusen til banen til det maksimale akseptable verdier. I dette tilfellet får partiklene en hastighet v = ZeBR/m og den tilsvarende energien:

Ved siste sving av spiralen slås et avbøyende elektrisk felt på, som leder strålen ut. Konstansen til magnetfeltet og frekvensen til det akselererende feltet gjør kontinuerlig akselerasjon mulig. Mens noen partikler beveger seg langs spiralens ytre svinger, er andre midt på banen, og andre begynner akkurat å bevege seg.

Ulempen med syklotronen er begrensningen av i hovedsak ikke-relativistiske energier til partikler, siden selv ikke veldig store relativistiske korreksjoner (avvik av γ fra enhet) forstyrrer akselerasjonssynkronismen ved forskjellige svinger og partikler med betydelig økte energier ikke lenger har tid til å havne i gapet mellom deene i fasen av det elektriske feltet som kreves for akselerasjon. I konvensjonelle syklotroner kan protoner akselereres til 20-25 MeV.

For å akselerere tunge partikler i en avviklingsspiralmodus til energier titalls ganger høyere (opptil 1000 MeV), kalles en modifikasjon av syklotronen isokron(relativistisk) syklotron, samt en fasotron. I isokrone syklotroner kompenseres relativistiske effekter av en radiell økning i magnetfeltet.

Konklusjon

Skjult tekst

Skriftlig konklusjon (den mest grunnleggende for alle underavsnitt i den første delen - driftsprinsipper, definisjoner)

Liste over brukt litteratur

1. Wikipedia [ Elektronisk ressurs]: Lorentz kraft. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Lorentz_Force

2. Wikipedia [Elektronisk ressurs]: Magnetohydrodynamisk generator. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Magnetohydrodynamic_generator

3. Wikipedia [Elektronisk ressurs]: Elektronstråleenheter. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Electron-beam_devices

4. Wikipedia [Elektronisk ressurs]: Massespektrometri. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Massespektrometri

5. Kjernefysikk på Internett [Elektronisk ressurs]: Cyclotron. URL: http://nuclphys.sinp.msu.ru/experiment/accelerators/ciclotron.htm

6. Elektronisk lærebok fysikk [Elektronisk ressurs]: T. Applications of the Lorentz force // URL: http://www.physbook.ru/index.php/ T. Applications of the Lorentz force

7. Akademiker [Elektronisk ressurs]: Magnetohydrodynamisk generator // URL: http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/MAGNETOHYDRODYNAMIC

©2015-2019 nettsted
Alle rettigheter tilhører deres forfattere. Dette nettstedet krever ikke forfatterskap, men tilbyr gratis bruk.
Opprettelsesdato for side: 2017-03-31

Ampere kraft, som virker på et ledersegment med lengden Δ l med strømstyrke Jeg, plassert i et magnetfelt B,

Uttrykket for Ampere-kraften kan skrives som:

Denne kraften kalles Lorentz kraft . Vinkelen α i dette uttrykket er lik vinkelen mellom hastigheten og vektor for magnetisk induksjon Retningen til Lorentz-kraften som virker på en positivt ladet partikkel, samt retningen til Ampere-kraften, kan finnes av venstrehåndsregel eller av gimlet regel. Den relative posisjonen til vektorene og for en positivt ladet partikkel er vist i fig. 1.18.1.

Figur 1.18.1.

Den relative posisjonen til vektorene, og modulen til Lorentz-kraften er numerisk lik arealet av et parallellogram, bygget på vektorer og multiplisert med ladning q

Lorentz-kraften er rettet vinkelrett på vektorene og

Når en ladet partikkel beveger seg i et magnetfelt, virker ikke Lorentz-kraften. Derfor endres ikke størrelsen på hastighetsvektoren når partikkelen beveger seg.

Hvis en ladet partikkel beveger seg i et jevnt magnetfelt under påvirkning av Lorentz-kraften, og hastigheten ligger i et plan vinkelrett på vektoren, vil partikkelen bevege seg i en sirkel med radius

Omdreiningsperioden til en partikkel i et jevnt magnetfelt er lik

kalt syklotron frekvens . Syklotronfrekvensen er ikke avhengig av hastigheten (og derfor av den kinetiske energien) til partikkelen. Denne omstendigheten brukes i syklotroner – akseleratorer av tunge partikler (protoner, ioner). Det skjematiske diagrammet av syklotronen er vist i fig. 1.18.3.

Et vakuumkammer er plassert mellom polene til en sterk elektromagnet, der det er to elektroder i form av hule metallhalvsylindere ( dees ). En elektrisk vekselspenning påføres dees, hvis frekvens er lik syklotronfrekvensen. Ladede partikler injiseres inn i midten av vakuumkammeret. Partiklene akselereres av det elektriske feltet i gapet mellom deene. Inne i deene beveger partiklene seg under påvirkning av Lorentz-kraften i halvsirkler, hvis radius øker når energien til partiklene øker. Hver gang en partikkel flyr gjennom gapet mellom deene, blir den akselerert av det elektriske feltet. Således, i en syklotron, som i alle andre akseleratorer, blir en ladet partikkel akselerert av et elektrisk felt og holdt på sin bane av et magnetisk felt. Syklotroner gjør det mulig å akselerere protoner til energier i størrelsesorden 20 MeV.

Ensartede magnetiske felt brukes i mange enheter og spesielt i massespektrometre – enheter som du kan måle massene av ladede partikler med – ioner eller kjerner til forskjellige atomer. Massespektrometre brukes til separasjon isotoper, det vil si atomkjerner med samme ladning, men forskjellige masser(for eksempel 20 Ne og 22 Ne). Det enkleste massespektrometeret er vist i fig. 1.18.4. Ioner som rømmer fra kilden S, passerer gjennom flere små hull og danner en smal stråle. Så kommer de inn hastighetsvelger , der partikler beveger seg inn krysset homogene elektriske og magnetiske felt. Et elektrisk felt skapes mellom platene til en flat kondensator, et magnetfelt dannes i gapet mellom polene til en elektromagnet. Starthastigheten til ladede partikler er rettet vinkelrett på vektorene og

En partikkel som beveger seg i kryssende elektriske og magnetiske felt blir påvirket av en elektrisk kraft og magnetisk Lorentz-kraft. Gitt at E = υ B disse kreftene balanserer hverandre nøyaktig. Hvis denne betingelsen er oppfylt, vil partikkelen bevege seg jevnt og rettlinjet og vil, etter å ha flydd gjennom kondensatoren, passere gjennom hullet i skjermen. For gitte verdier av elektriske og magnetiske felt, vil velgeren velge partikler som beveger seg med hastighet υ = E / B.

Deretter kommer partikler med samme hastighetsverdi inn i massespektrometerkammeret, der det dannes et jevnt magnetfelt i kammeret i et plan vinkelrett på magnetfeltet under påvirkning av Lorentz-kraften. Partikkelbaner er sirkler med radier R = mυ / qB". Måling av radier av baner for kjente verdier av υ og B" forholdet kan bestemmes q / m. Når det gjelder isotoper ( q 1 = q 2) et massespektrometer lar deg separere partikler med forskjellig masse.

Moderne massespektrometre gjør det mulig å måle massene av ladede partikler med en nøyaktighet høyere enn 10 –4.

Hvis hastigheten til en partikkel har en komponent langs magnetfeltets retning, vil en slik partikkel bevege seg i et jevnt magnetfelt i en spiral. I dette tilfellet radiusen til spiralen R avhenger av modulen til komponenten vinkelrett på magnetfeltet υ ┴ til vektoren og stigningen til spiralen s– fra modulen til den langsgående komponenten υ || (Fig. 1.18.5).

Dermed ser banen til en ladet partikkel ut til å snirkle seg rundt den magnetiske induksjonslinjen. Dette fenomenet brukes i teknologi for magnetisk termisk isolasjon av høytemperaturplasma, det vil si en fullstendig ionisert gass ved en temperatur i størrelsesorden 10 6 K. Et stoff i denne tilstanden oppnås i installasjoner av Tokamak-typen når man studerer kontrollerte termonukleære reaksjoner. Plasmaet skal ikke komme i kontakt med veggene i kammeret. Termisk isolasjon oppnås ved å skape et magnetfelt med en spesiell konfigurasjon. Som et eksempel i fig. 1.18.6 viser banen til en ladet partikkel i magnetisk "flaske"(eller fanget ).

Et lignende fenomen forekommer i jordens magnetfelt, som er en beskyttelse for alle levende ting fra strømmer av ladede partikler fra verdensrommet. Hurtigladede partikler fra verdensrommet (hovedsakelig fra Solen) «fanges» av jordas magnetfelt og danner s.k. strålingsbelter (Fig. 1.18.7), hvor partikler, som i magnetiske feller, beveger seg frem og tilbake langs spiralbaner mellom nord- og sørmagnetpolene i tider av størrelsesorden brøkdeler av et sekund. Bare i de polare områdene invaderer noen partikler den øvre atmosfæren og forårsaker nordlys. Jordens strålingsbelter strekker seg fra avstander i størrelsesorden 500 km til titalls jordradier. Det bør huskes at den sørlige magnetiske polen til jorden ligger nær den nordlige geografiske polen (på nordvest-Grønland). Naturen til jordisk magnetisme er ennå ikke studert.

Kontrollspørsmål

1.Beskriv eksperimentene til Oersted og Ampere.

2.Hva er kilden til magnetfeltet?

3. Hva er Amperes hypotese som forklarer eksistensen av magnetfeltet til en permanent magnet?

4.Hva er den grunnleggende forskjellen mellom et magnetfelt og et elektrisk?

5. Formuler definisjonen av den magnetiske induksjonsvektoren.

6. Hvorfor kalles magnetfeltet virvel?

7. Formuler lover:

A) Ampere;

B) Bio-Savart-Laplace.

8. Hvorfor modul er lik vektor for magnetisk induksjon av likestrømfeltet?

9. Angi definisjonen av strømenheten (ampere) i International System of Units.

10. Skriv ned formelen som uttrykker mengden:

A) modul av den magnetiske induksjonsvektoren;

B) Amperestyrker;

B) Lorentz styrker;

D) omdreiningsperioden til en partikkel i et jevnt magnetfelt;

D) krumningsradius av en sirkel når en ladet partikkel beveger seg i et magnetfelt;

Selvkontrolltest

Hva ble observert i Oersteds eksperiment?

1) Samspill mellom to parallelle ledere med strøm.

2) Samspill mellom to magnetiske nåler

3) Roter en magnetisk nål nær en leder når det går strøm gjennom den.

4) Fremkomst elektrisk strøm i en spole når en magnet skyves inn i den.

Hvordan samhandler to parallelle ledere hvis de fører strøm i samme retning?

Tiltrakk;

De skyver av;

Kraften og kreftmomentet er null.

Kraften er null, men kraftmomentet er ikke null.

Hvilken formel bestemmer uttrykket for modulen til Amperekraften?

Hvilken formel bestemmer uttrykket for modulen til Lorentz-kraften?

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 .

Et elektron med hastighet V flyr inn i et magnetfelt med en induksjonsmodul B vinkelrett på magnetlinjene. Hvilket uttrykk tilsvarer radiusen til elektronets bane?

Svar: 1)
2)

4)

8. Hvordan vil omdreiningsperioden til en ladet partikkel i en syklotron endre seg når hastigheten dobles? (V<< c).

1) Øk med 2 ganger; 2) Øk med 2 ganger;

3) Øk med 16 ganger; 4) Vil ikke endres.

9. Hvilken formel bestemmer induksjonsmodulen til et magnetfelt skapt i sentrum av en sirkulær strøm med en sirkelradius R?

1)
2)
3)
4)

10. Strømstyrken i spolen er lik Jeg. Hvilken formel bestemmer modulen for magnetfeltinduksjon i midten av en lengdespole l med antall omdreininger N?

1)
2)
3)
4)

Laboratoriearbeid nr.

Bestemmelse av den horisontale komponenten av jordens magnetfeltinduksjon.

Kort teori for laboratoriearbeid.

Et magnetfelt er et materialmedium som overfører såkalte magnetiske interaksjoner. Magnetfeltet er en av manifestasjonsformene til det elektromagnetiske feltet.

Kildene til magnetiske felt er elektriske ladninger i bevegelse, strømførende ledere og vekslende elektriske felt. Generert av bevegelige ladninger (strømmer), virker magnetfeltet på sin side bare på bevegelige ladninger (strømmer), men har ingen effekt på stasjonære ladninger.

Hovedkarakteristikken til et magnetfelt er den magnetiske induksjonsvektoren :

Størrelsen på den magnetiske induksjonsvektoren er numerisk lik den maksimale kraften som virker fra magnetfeltet på en leder med lengdeenhet som en strøm av enhetsstyrke flyter gjennom. Vektor danner en høyrehendt trippel med kraftvektoren og strømretningen. Dermed er magnetisk induksjon en kraft som er karakteristisk for et magnetfelt.

SI-enheten for magnetisk induksjon er Tesla (T).

Magnetiske feltlinjer er imaginære linjer, ved hvert punkt hvor tangentene faller sammen med retningen til den magnetiske induksjonsvektoren. Magnetiske kraftlinjer er alltid lukket og krysser aldri hverandre.

Amperes lov bestemmer kraftvirkningen til et magnetfelt på en strømførende leder.

Hvis i et magnetfelt med induksjon en strømførende leder er plassert, deretter hvert strømrettet element lederen påvirkes av Ampere-kraften, bestemt av forholdet

Retningen til Ampere-kraften faller sammen med retningen til vektorproduktet
, de. den er vinkelrett på planet som vektorene ligger i Og (Figur 1).

Ris. 1. For å bestemme retningen til amperekraften

Hvis vinkelrett , da kan retningen til Ampere-kraften bestemmes av regelen til venstre hånd: rett fire utstrakte fingre langs strømmen, plasser håndflaten vinkelrett på kraftlinjene, og deretter tommel vil vise retningen til amperekraften. Amperes lov er grunnlaget for definisjonen av magnetisk induksjon, dvs. relasjon (1) følger av formel (2), skrevet i skalarform.

Lorentz-kraften er kraften som et elektromagnetisk felt virker på en ladet partikkel som beveger seg i dette feltet. Lorentz kraftformelen ble først oppnådd av G. Lorentz som et resultat av generalisering av erfaring og har formen:

Hvor
– kraft som virker på en ladet partikkel i et elektrisk felt med intensitet ;
– kraft som virker på en ladet partikkel i et magnetfelt.

Formelen for den magnetiske komponenten av Lorentz-kraften kan hentes fra Amperes lov, og tar i betraktning at strømmen er den ordnede bevegelsen av elektriske ladninger. Hvis magnetfeltet ikke virket på bevegelige ladninger, ville det ikke ha noen effekt på den strømførende lederen. Den magnetiske komponenten av Lorentz-kraften bestemmes av uttrykket:

Denne kraften er rettet vinkelrett på planet som hastighetsvektorene ligger i og magnetfeltinduksjon ; retningen sammenfaller med retningen til vektorproduktet
Til q > 0 og med retning
Til q>0 (Fig. 2).

Ris. 2. For å bestemme retningen til den magnetiske komponenten av Lorentz-kraften

Hvis vektoren vinkelrett på vektoren , så kan retningen til den magnetiske komponenten av Lorentz-kraften for positivt ladede partikler finnes ved å bruke regelen til venstre, og for negativt ladede partikler ved bruk av regelen høyre hånd. Siden den magnetiske komponenten av Lorentz-kraften alltid er rettet vinkelrett på hastigheten , så gjør det ikke noe arbeid å flytte partikkelen. Den kan bare endre fartsretningen , bøye banen til en partikkel, dvs. fungere som en sentripetalkraft.

Biot-Savart-Laplace-loven brukes til å beregne magnetiske felt (definisjoner ) opprettet av ledere som fører strøm.

I henhold til Biot-Savart-Laplace-loven, hvert strømrettet element i en leder skaper på et punkt på avstand fra dette elementet, et magnetisk felt, hvis induksjon bestemmes av forholdet:

Hvor
H/m - magnetisk konstant; µ - magnetisk permeabilitet av mediet.

Ris. 3. Mot Biot-Savart-Laplace-loven

Retning
faller sammen med retningen til vektorproduktet
, dvs.
vinkelrett på planet som vektorene ligger i Og . Samtidig
er tangent til kraftlinjen, hvis retning kan bestemmes av gimlet-regelen: hvis translasjonsbevegelsen til spissen av gimlet er rettet langs strømmen, vil rotasjonsretningen til håndtaket bestemme retningen til magnetfeltlinje (fig. 3).

For å finne magnetfeltet skapt av hele lederen, må du bruke prinsippet om feltsuperposisjon:

La oss for eksempel beregne den magnetiske induksjonen i sentrum av den sirkulære strømmen (fig. 4).

Ris. 4. Mot beregning av feltet i sentrum av den sirkulære strømmen

For sirkulær strøm
Og
, derfor har relasjon (5) i skalarform formen:

Den totale gjeldende loven (magnetisk induksjonssirkulasjonsteorem) er en annen lov for beregning av magnetiske felt.

Den totale gjeldende loven for et magnetfelt i et vakuum har formen:

Hvor B l – projeksjon per lederelement , rettet langs strømmen.

Sirkulasjonen til den magnetiske induksjonsvektoren langs enhver lukket krets er lik produktet av den magnetiske konstanten og den algebraiske summen av strømmene som dekkes av denne kretsen.

Ostrogradsky-Gauss-teoremet for magnetfeltet er som følger:

Hvor B n – vektorprojeksjon til normal til nettstedet dS.

Fluksen til den magnetiske induksjonsvektoren gjennom en vilkårlig lukket overflate er null.

Naturen til magnetfeltet følger av formlene (9), (10).

Betingelsen for potensialiteten til det elektriske feltet er at sirkulasjonen til intensitetsvektoren er lik null
.

Det potensielle elektriske feltet genereres av stasjonære elektriske ladninger; Feltlinjene er ikke lukket, de begynner på positive ladninger og slutter på negative.

Fra formel (9) ser vi at i et magnetfelt er sirkulasjonen til den magnetiske induksjonsvektoren forskjellig fra null, derfor er magnetfeltet ikke potensielt.

Fra relasjon (10) følger det at magnetiske ladninger som er i stand til å skape potensielle magnetiske felt, ikke eksisterer. (I elektrostatikk ulmer et lignende teorem i form
.

Magnetiske kraftlinjer tetter seg selv. Et slikt felt kalles et virvelfelt. Dermed er magnetfeltet et virvelfelt. Retningen til feltlinjene bestemmes av gimlet-regelen. I en rett, uendelig lang leder som fører strøm, har kraftlinjene form av konsentriske sirkler som omgir lederen (fig. 3).

Sammen med Ampere-kraften, Coulomb-interaksjonen og elektromagnetiske felt, blir begrepet Lorentz-kraft ofte møtt i fysikk. Dette fenomenet er et av de grunnleggende fenomenene innen elektroteknikk og elektronikk, sammen med og andre. Det påvirker ladninger som beveger seg i et magnetfelt. I denne artikkelen vil vi kort og tydelig undersøke hva Lorentz-kraften er og hvor den brukes.

Definisjon

Når elektroner beveger seg langs en leder, vises et magnetisk felt rundt den. Samtidig, hvis du plasserer en leder i et tverrgående magnetfelt og flytter den, vil det oppstå en elektromagnetisk induksjons-emf. Hvis en strøm går gjennom en leder som er i et magnetfelt, virker Ampere-kraften på den.

Verdien avhenger av den flytende strømmen, lengden på lederen, størrelsen på den magnetiske induksjonsvektoren og sinusen til vinkelen mellom magnetfeltlinjene og lederen. Det beregnes ved hjelp av formelen:

Kraften som vurderes er delvis lik den som er diskutert ovenfor, men virker ikke på en leder, men på en bevegelig ladet partikkel i et magnetfelt. Formelen ser slik ut:

Viktig! Lorentz-kraften (Fl) virker på et elektron som beveger seg i et magnetfelt, og på en leder - Ampere.

Fra de to formlene er det klart at i både det første og andre tilfellet, jo nærmere sinusen til vinkelen alfa er 90 grader, jo større er effekten på lederen eller ladningen med henholdsvis Fa eller Fl.

Så Lorentz-kraften karakteriserer ikke endringen i hastighet, men effekten av magnetfeltet på et ladet elektron eller positivt ion. Når de utsettes for dem, gjør ikke Fl noe arbeid. Følgelig er det retningen til den ladede partikkelens hastighet som endres, og ikke dens størrelse.

Når det gjelder måleenheten for Lorentz-kraften, som i tilfellet med andre krefter i fysikk, brukes en slik mengde som Newton. Dens komponenter:

Hvordan styres Lorentz-styrken?

For å bestemme retningen til Lorentz-kraften, som med Ampere-kraften, fungerer venstrehåndsregelen. Dette betyr at for å forstå hvor Fl-verdien er rettet, må du åpne håndflaten på venstre hånd slik at de magnetiske induksjonslinjene kommer inn i hånden din, og de utvidede fire fingrene indikerer retningen til hastighetsvektoren. Så indikerer tommelen, bøyd i rett vinkel mot håndflaten, retningen til Lorentz-kraften. På bildet nedenfor kan du se hvordan du bestemmer retningen.

Merk følgende! Retningen til Lorentz-handlingen er vinkelrett på bevegelsen til partikkelen og linjene for magnetisk induksjon.

I dette tilfellet, for å være mer presis, betyr retningen til de fire utfoldede fingrene for positivt og negativt ladede partikler. Venstreregelen beskrevet ovenfor er formulert for en positiv partikkel. Hvis den er negativt ladet, bør linjene med magnetisk induksjon ikke rettes mot den åpne håndflaten, men mot ryggen, og retningen til vektoren Fl vil være motsatt.

Nå skal vi fortelle med enkle ord, hva dette fenomenet gir oss og hvilken reell innvirkning det har på anklagene. La oss anta at elektronet beveger seg i et plan vinkelrett på retningen til de magnetiske induksjonslinjene. Vi har allerede nevnt at Fl ikke påvirker hastigheten, men bare endrer retningen på partikkelbevegelsen. Da vil Lorentz-kraften ha en sentripetal effekt. Dette gjenspeiles i figuren under.

applikasjon

Av alle områdene der Lorentz-kraften brukes, er et av de største bevegelsen av partikler i jordens magnetfelt. Hvis vi betrakter planeten vår som en stor magnet, så partiklene som befinner seg nær den nordlige magnetiske poler, gjør en akselerert bevegelse i en spiral. Som et resultat kolliderer de med atomer fra øvre lag atmosfære, og vi ser nordlyset.

Det er imidlertid andre tilfeller hvor dette fenomenet gjelder. For eksempel:

Katodestrålerør. I deres elektromagnetiske avbøyningssystemer. CRT-er har blitt brukt i mer enn 50 år på rad i forskjellige enheter, alt fra det enkleste oscilloskopet til TV-er ulike former og størrelser. Det er merkelig at når det kommer til fargegjengivelse og arbeid med grafikk, bruker noen fortsatt CRT-skjermer.
Elektriske maskiner – generatorer og motorer. Selv om Ampere-styrken er mer sannsynlig å handle her. Men disse mengdene kan betraktes som tilstøtende. Imidlertid er dette komplekse enheter under drift som påvirkning av mange fysiske fenomener observeres.
I akseleratorer av ladede partikler for å sette deres baner og retninger.

Konklusjon

La oss oppsummere og skissere de fire hovedpunktene i denne artikkelen på et enkelt språk:

Lorentz-kraften virker på ladede partikler som beveger seg i et magnetfelt. Dette følger av grunnformelen.
Den er direkte proporsjonal med hastigheten til den ladede partikkelen og magnetisk induksjon.
Påvirker ikke partikkelhastigheten.
Påvirker retningen til partikkelen.

Dens rolle er ganske stor i de "elektriske" områdene. En spesialist bør ikke miste den grunnleggende teoretiske informasjonen om de grunnleggende fysiske lovene av syne. Denne kunnskapen vil være nyttig, så vel som for de som handler vitenskapelig arbeid, design og bare for generell utvikling.

Nå vet du hva Lorentz-kraften er, hva den er lik og hvordan den virker på ladede partikler. Hvis du har spørsmål, spør dem i kommentarene under artikkelen!

Materialer

Effekten som utøves av et magnetfelt på bevegelige ladede partikler er svært mye brukt i teknologi.

For eksempel utføres avbøyningen av en elektronstråle i TV-bilderør ved hjelp av et magnetisk felt, som skapes av spesielle spoler. En rekke elektroniske enheter bruker et magnetfelt for å fokusere stråler av ladede partikler.

Lorentz-kraften brukes også i enheter som kalles massespektrografer, som er designet for å skille ladede partikler i henhold til deres spesifikke ladninger.

Diagrammet av den enkleste massespektrografen er vist i figur 1.

I kammer 1, hvorfra luft er pumpet ut, er det en ionekilde 3. Kammeret er plassert i et jevnt magnetfelt, ved hvert punkt hvor induksjonen \(~\vec B\) er vinkelrett på planet til tegningen og rettet mot oss (i figur 1 er dette feltet indikert med sirkler) . En akselererende spenning påføres mellom elektrodene A og B, under påvirkning av hvilken ionene som sendes ut fra kilden akselereres og med en viss hastighet kommer inn i magnetfeltet vinkelrett på induksjonslinjene. Beveger seg i et magnetfelt i en sirkelbue, faller ionene på fotografisk plate 2, noe som gjør det mulig å bestemme radiusen R denne buen. Kjenne til magnetfeltinduksjonen I og hastighet υ ioner, i henhold til formelen

\(~\frac q m = \frac (v)(RB)\)

den spesifikke ladningen av ioner kan bestemmes. Og hvis ladningen til ionet er kjent, kan massen beregnes.

Litteratur

Aksenovich L. A. Fysikk i videregående skole: Teori. Oppgaver. Prøver: Lærebok. godtgjørelse for institusjoner som tilbyr allmennutdanning. miljø, utdanning / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K.S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyakhavanne, 2004. - S. 328.

KUNNSKAPS- OG VITENSKAPSDEPARTEMENTET

RUSSISK FØDERASJON

FEDERAL STATE BUDGET UTDANNINGSINSTITUTION FOR HØYERE PROFESJONELL UTDANNELSE

"KURGAN STATE UNIVERSITY"

ABSTRAKT

I emnet "Fysikk" Emne: "Anvendelse av Lorentz-styrken"

Fullført av: Student av gruppe T-10915 Logunova M.V.

Lærer Vorontsov B.S.

Kurgan 2016

Innledning 3

1. Bruk av Lorentz-kraft 4

1.1. Elektronstråleenheter 4

1.2 Massespektrometri 5

1,3 MHD generator 7

1.4 Syklotron 8

Konklusjon 10

Referanser 11

Introduksjon

Lorentz kraft- kraften som det elektromagnetiske feltet, i henhold til klassisk (ikke-kvante) elektrodynamikk, virker på en punktladet partikkel. Noen ganger kalles Lorentz-kraften kraften som virker på et objekt i bevegelse med hastighet υ lade q bare fra siden av magnetfeltet, ofte i full kraft - fra siden av det elektromagnetiske feltet generelt, med andre ord fra siden av det elektriske E immagnetisk B Enger.

I International System of Units (SI) er det uttrykt som:

F L = qυ B synd α

Den er oppkalt etter den nederlandske fysikeren Hendrik Lorentz, som avledet et uttrykk for denne kraften i 1892. Tre år før Lorenz ble det riktige uttrykket funnet av O. Heaviside.

Den makroskopiske manifestasjonen av Lorentz-kraften er Ampere-kraften.

Ved å bruke Lorentz-styrken

Effekten som utøves av et magnetfelt på bevegelige ladede partikler er svært mye brukt i teknologi.

1. Elektronstråleenheter

En elektronstråleenhet består av minst tre hoveddeler:

En elektronisk spotlight (pistol) danner en elektronstråle (eller en stråle av stråler, for eksempel tre stråler i et fargebilderør) og kontrollerer dens intensitet (strøm);

Avbøyningssystemet kontrollerer den romlige posisjonen til strålen (dens avvik fra aksen til søkelyset);

Målet (skjermen) til den mottakende ELP konverterer energien til strålen til lysstrømmen til et synlig bilde; målet for den sendende eller lagrende ELP akkumulerer en romlig potensialavlastning, lest av en skanningselektronstråle

Ris. 1 CRT-enhet

Generelle prinsipper for enheten.

2 Massespektrometri

Ris. 2

Lorentz-kraften brukes også i instrumenter kalt massespektrografer, som er designet for å skille ladede partikler i henhold til deres spesifikke ladninger.

Massespektrometri(massespektroskopi, massespektrografi, massespektral analyse, massespektrometrisk analyse) - en metode for å studere et stoff basert på å bestemme masse-til-ladning-forholdet mellom ioner dannet under ionisering av prøvekomponenter av interesse. En av de kraftigste måtene for kvalitativ identifikasjon av stoffer, som også tillater kvantitativ bestemmelse. Vi kan si at massespektrometri er "veiingen" av molekylene i en prøve.

Diagrammet av den enkleste massespektrografen er vist i figur 2.

I kammer 1, hvorfra luften er evakuert, er det en ionekilde 3. Kammeret er plassert i et jevnt magnetfelt, ved hvert punkt hvor induksjonen B⃗B→ er vinkelrett på tegningens plan og rettet mot oss (i figur 1 er dette feltet indikert med sirkler). En akselererende spenning påføres mellom elektrodene A og B, under påvirkning av hvilken ionene som sendes ut fra kilden akselereres og med en viss hastighet kommer inn i magnetfeltet vinkelrett på induksjonslinjene. Beveger seg i et magnetfelt langs en sirkelbue, faller ionene på fotografisk plate 2, noe som gjør det mulig å bestemme radius R til denne buen. Kjenne til magnetfeltinduksjonen B og hastigheten υ til ioner, i henhold til formelen

(1)

den spesifikke ladningen av ioner kan bestemmes. Og hvis ladningen til ionet er kjent, kan massen beregnes.

Massespektrometri er spesielt mye brukt i analyse av organiske stoffer, siden det gir sikker identifikasjon av både relativt enkle og komplekse molekyler. Det eneste generelle kravet er at molekylet skal være ioniserbart. Men nå er det oppfunnet

Det er så mange måter å ionisere prøvekomponenter på at massespektrometri kan betraktes som en nesten altomfattende metode.

3 MHD generator

Magnetohydrodynamisk generator, MHD-generator er et kraftverk der energien til et arbeidsfluid (flytende eller gassformig elektrisk ledende medium) som beveger seg i et magnetfelt omdannes direkte til elektrisk energi.

Driftsprinsippet til en MHD-generator, som en konvensjonell maskingenerator, er basert på fenomenet elektromagnetisk induksjon, det vil si på forekomsten av strøm i en leder som krysser magnetfeltlinjene. I motsetning til maskingeneratorer er lederen i en MHD-generator selve arbeidsvæsken.

Arbeidsvæsken beveger seg over magnetfeltet, og under påvirkning av magnetfeltet oppstår motsatt rettede strømmer av ladningsbærere med motsatte fortegn.

Lorentz-kraften virker på en ladet partikkel.

Følgende medier kan tjene som arbeidsvæske til MHD-generatoren:

4 Syklotron

Fig.5. Syklotrondiagram: sett ovenfra og fra siden: 1 -kilde til tungt ladede partikler (protoner, ioner), 2 - bane for akselerert partikkel, 3 -akselererende elektroder (dees), 4 - akselererende feltgenerator, 5 - elektromagnet.

Piler viser magnetiske feltlinjer). De er vinkelrett på planet til toppfiguren

hvor γ = -1/2 er den relativistiske faktoren.

(2)

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

Konklusjon

Skjult tekst

Skriftlig konklusjon (den mest grunnleggende for alle underavsnitt i den første delen - driftsprinsipper, definisjoner)

Liste over brukt litteratur

Wikipedia [Elektronisk ressurs]: Lorentz-styrken. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Lorentz_Force

Wikipedia [Elektronisk ressurs]: Magnetohydrodynamisk generator. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Magnetohydrodynamic_generator

Wikipedia [Elektronisk ressurs]: Elektronstråleenheter. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Electron-beam_devices

Wikipedia [Elektronisk ressurs]: Massespektrometri. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Massespektrometri

Kjernefysikk på Internett [Elektronisk ressurs]: Syklotron. URL: http://nuclphys.sinp.msu.ru/experiment/accelerators/ciclotron.htm

Elektronisk lærebok i fysikk [Elektronisk ressurs]: T. Applications of Lorentz force //URL: http://www.physbook.ru/index.php/ T._Application_of_Lorentz_force

Akademiker [Elektronisk ressurs]: Magnetohydrodynamisk generator //URL: http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/MAGNETOHYDRODYNAMIC