Anwendung der Lorentzkraft im Alltag. Allgemeine Prinzipien des Geräts
Verstärkerleistung, die auf ein Segment des Leiters der Länge Δ wirkt l mit Strom ich befindet sich in einem Magnetfeld B,
Der Ausdruck für die Amperekraft kann geschrieben werden als:
Diese Kraft heißt Lorentzkraft . Der Winkel α in diesem Ausdruck ist gleich dem Winkel zwischen der Geschwindigkeit und magnetischer Induktionsvektor Die Richtung der Lorentz-Kraft, die auf ein positiv geladenes Teilchen wirkt, sowie die Richtung der Ampère-Kraft, kann aus gefunden werden Regel der linken Hand oder von Gimlet-Regel. Die gegenseitige Anordnung der Vektoren , und für ein positiv geladenes Teilchen ist in Abb. 1 dargestellt. 1.18.1.
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Abbildung 1.18.1. Die gegenseitige Anordnung der Vektoren und des Lorentz-Kraftmoduls ist numerisch gleich der Fläche des Parallelogramms, das auf den Vektoren aufgebaut und mit der Ladung multipliziert wird q |
Die Lorentzkraft ist senkrecht zu den Vektoren und gerichtet
Wenn sich ein geladenes Teilchen in einem Magnetfeld bewegt, wirkt die Lorentzkraft nicht. Daher ändert sich der Betrag des Geschwindigkeitsvektors nicht, wenn sich das Teilchen bewegt.
Wenn sich ein geladenes Teilchen in einem gleichförmigen Magnetfeld unter der Wirkung der Lorentzkraft bewegt und seine Geschwindigkeit in einer Ebene senkrecht zum Vektor liegt, bewegt sich das Teilchen entlang eines Radiuskreises
Die Umlaufzeit eines Teilchens in einem homogenen Magnetfeld ist
genannt Zyklotronfrequenz . Die Zyklotronfrequenz hängt nicht von der Geschwindigkeit (und damit auch von der kinetischen Energie) des Teilchens ab. Diese Tatsache wird in verwendet Zyklotrone – Beschleuniger schwerer Teilchen (Protonen, Ionen). Das schematische Diagramm des Zyklotrons ist in Abb. 1 dargestellt. 1.18.3.
Zwischen den Polen eines starken Elektromagneten befindet sich eine Vakuumkammer, in der sich zwei Elektroden in Form von hohlen Metallhalbzylindern befinden ( dees ). An die Dees wird eine elektrische Wechselspannung angelegt, dessen Frequenz gleich der Zyklotronfrequenz ist. Geladene Teilchen werden in die Mitte der Vakuumkammer injiziert. Die Teilchen werden durch ein elektrisches Feld im Spalt zwischen den Dees beschleunigt. Innerhalb der Dees bewegen sich die Teilchen unter der Wirkung der Lorentzkraft auf Halbkreisen, deren Radius mit zunehmender Energie der Teilchen zunimmt. Jedes Mal, wenn ein Teilchen den Spalt zwischen den Dees passiert, wird es durch das elektrische Feld beschleunigt. So wird in einem Zyklotron wie in allen anderen Beschleunigern ein geladenes Teilchen durch ein elektrisches Feld beschleunigt und durch ein magnetisches Feld auf einer Bahn gehalten. Zyklotrone ermöglichen es, Protonen auf eine Energie in der Größenordnung von 20 MeV zu beschleunigen.
Einheitliche Magnetfelder werden in vielen Geräten und insbesondere in verwendet Massenspektrometer - Geräte, mit denen Sie die Massen geladener Teilchen messen können - Ionen oder Kerne verschiedener Atome. Zur Trennung werden Massenspektrometer verwendet Isotope, also Kerne von Atomen mit gleicher Ladung, aber unterschiedlicher Masse (z. B. 20 Ne und 22 Ne). Das einfachste Massenspektrometer ist in Abb. 1 dargestellt. 1.18.4. Von der Quelle emittierte Ionen S, gehen durch mehrere kleine Löcher, die einen schmalen Strahl bilden. Dann steigen sie ein Geschwindigkeitswähler , in die die Partikel einziehen gekreuzte gleichförmige elektrische und magnetische Felder. Zwischen den Platten eines flachen Kondensators entsteht ein elektrisches Feld, im Spalt zwischen den Polen eines Elektromagneten entsteht ein magnetisches Feld. Die Anfangsgeschwindigkeit geladener Teilchen ist senkrecht zu den Vektoren und gerichtet
Ein Teilchen, das sich in gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern bewegt, unterliegt einer elektrischen Kraft und Lorentz-Magnetkraft. Unter der Bedingung E = υ B diese Kräfte gleichen sich genau aus. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, bewegt sich das Teilchen gleichmäßig und geradlinig und passiert, nachdem es durch den Kondensator geflogen ist, das Loch im Sieb. Für gegebene Werte der elektrischen und magnetischen Felder wählt der Selektor Partikel aus, die sich mit einer Geschwindigkeit bewegen υ = E / B.
Anschließend treten Teilchen mit gleicher Geschwindigkeit in die Kammer des Massenspektrometers ein, in der ein gleichförmiges Magnetfeld erzeugt wird Die Teilchen bewegen sich in der Kammer unter der Wirkung der Lorentzkraft in einer Ebene senkrecht zum Magnetfeld. Teilchenbahnen sind Kreise von Radien R = mυ / qB". Durch Messen der Radien der Trajektorien für bekannte Werte von υ und B" Beziehung definiert werden kann q / m. Bei Isotopen ( q 1 = q 2) Mit einem Massenspektrometer können Sie Partikel mit unterschiedlichen Massen trennen.
Moderne Massenspektrometer ermöglichen es, die Masse geladener Teilchen mit einer Genauigkeit besser als 10–4 zu messen.
Wenn die Geschwindigkeit eines Teilchens eine Komponente entlang der Richtung des Magnetfelds hat, bewegt sich ein solches Teilchen in einem gleichmäßigen Magnetfeld spiralförmig. In diesem Fall der Radius der Spirale R hängt vom Betrag der Komponente υ ┴ des Vektors senkrecht zum Magnetfeld und der Steigung der Helix ab p– vom Modul der Längskomponente υ || (Abb. 1.18.5).
Die Flugbahn eines geladenen Teilchens windet sich also gewissermaßen um die magnetischen Induktionslinien. Dieses Phänomen wird in der Technik z magnetische thermische Isolierung von Hochtemperatur-Plasma, dh ein vollständig ionisiertes Gas bei einer Temperatur von etwa 10 6 K. Eine Substanz in diesem Zustand wird in Anlagen vom Typ "Tokamak" erhalten, wenn kontrollierte thermonukleare Reaktionen untersucht werden. Das Plasma darf nicht mit den Kammerwänden in Berührung kommen. Die Wärmedämmung wird durch die Erzeugung eines Magnetfelds mit einer speziellen Konfiguration erreicht. Als Beispiel in Abb. 1.18.6 zeigt die Flugbahn eines geladenen Teilchens in magnetische Flasche(oder gefangen ).
Ein ähnliches Phänomen tritt im Magnetfeld der Erde auf, das alle Lebewesen vor Strömen geladener Teilchen aus dem Weltraum schützt. Schnell geladene Teilchen aus dem Weltraum (hauptsächlich von der Sonne) werden vom Erdmagnetfeld "eingefangen" und bilden die sog Strahlungsgürtel (Abb. 1.18.7), in dem sich Teilchen, ähnlich wie in magnetischen Fallen, in Zeiten von Sekundenbruchteilen auf spiralförmigen Bahnen zwischen dem magnetischen Nord- und Südpol hin und her bewegen. Nur in den Polarregionen dringen einige der Partikel in die obere Atmosphäre ein und verursachen Polarlichter. Die Strahlungsgürtel der Erde erstrecken sich von Entfernungen in der Größenordnung von 500 km bis zu Dutzenden von Erdradien. Es sei daran erinnert, dass sich der magnetische Südpol der Erde in der Nähe des geografischen Nordpols (im Nordwesten Grönlands) befindet. Die Natur des Erdmagnetismus wurde noch nicht untersucht.
Testfragen
1. Beschreiben Sie die Experimente von Oersted und Ampère.
2. Was ist die Quelle des Magnetfelds?
3. Was ist Ampères Hypothese, die die Existenz eines Magnetfelds eines Permanentmagneten erklärt?
4. Was ist der grundlegende Unterschied zwischen einem magnetischen und einem elektrischen Feld?
5. Formulieren Sie die Definition des magnetischen Induktionsvektors.
6. Warum heißt das Magnetfeld Vortex?
7. Gesetze formulieren:
A) Ampere;
B) Bio-Savart-Laplace.
8. Was ist der Absolutwert des Vektors der magnetischen Induktion des Gleichstromfeldes?
9. Formulieren Sie die Definition der Einheit der Stromstärke (Ampere) im Internationalen Einheitensystem.
10. Schreiben Sie die Formeln auf, die den Wert ausdrücken:
A) das Modul des magnetischen Induktionsvektors;
B) Ampere-Kräfte;
B) Lorentzkräfte;
D) die Umlaufzeit eines Teilchens in einem homogenen Magnetfeld;
E) der Krümmungsradius des Kreises, wenn sich ein geladenes Teilchen in einem Magnetfeld bewegt;
Test auf Selbstbeherrschung
Was wurde bei Oersteds Experiment beobachtet?
1) Wechselwirkung zweier paralleler Leiter mit Strom.
2) Wechselwirkung zweier Magnetnadeln
3) Drehung der Magnetnadel in der Nähe des Leiters, wenn Strom durch ihn fließt.
4) Das Auftreten eines elektrischen Stroms in der Spule, wenn ein Magnet hineingeschoben wird.
Wie wirken zwei parallele Leiter zusammen, wenn Ströme in derselben Richtung durch sie fließen?
Sind angezogen;
abstoßen;
Kraft und Moment der Kräfte sind gleich Null.
Die Kraft ist Null, aber das Drehmoment ist nicht Null.
Welche Formel bestimmt den Ausdruck für den Ampere-Kraftmodul?
Welche Formel bestimmt den Ausdruck für den Lorentz-Kraftmodul?
B) 
BEI) 
G) 
0,6N; 2) 1N; 3) 1,4N; 4) 2,4 N.
1) 0,5 T; 2) 1T; 3) 2T; 4) 0,8 T .
Ein Elektron mit einer Geschwindigkeit V fliegt in ein Magnetfeld mit einem Induktionsmodul B senkrecht zu den magnetischen Linien. Welcher Ausdruck entspricht dem Radius der Elektronenbahn?
Antwort 1) 
2)
4)
8. Wie ändert sich die Umlaufdauer eines geladenen Teilchens in einem Zyklotron mit einer Erhöhung seiner Geschwindigkeit um das Zweifache? (V<< c).
1) wird um das 2-fache erhöht; 2) Wird um das 2-fache erhöht;
3) Erhöhung um das 16-fache; 4) Wird sich nicht ändern.
9. Welche Formel bestimmt den Induktionsmodul eines Magnetfelds, das im Zentrum eines kreisförmigen Stroms mit einem Kreisradius R erzeugt wird?
1)
2)
3)
4)
10. Der Strom in der Spule ist ich. Welche der Formeln bestimmt den Modul der Magnetfeldinduktion in der Mitte einer Spule mit einer Länge l mit der Windungszahl N ?
1)
2)
3)
4)
Labor Nr.
Bestimmung der horizontalen Komponente der Induktion des Erdmagnetfeldes.
Kurze Theorie für die Laborarbeit.
Ein Magnetfeld ist ein materielles Medium, das die sogenannten magnetischen Wechselwirkungen überträgt. Das Magnetfeld ist eine der Manifestationen des elektromagnetischen Feldes.
Quellen magnetischer Felder sind bewegte elektrische Ladungen, stromdurchflossene Leiter und elektrische Wechselfelder. Das durch bewegte Ladungen (Ströme) erzeugte Magnetfeld wiederum wirkt nur auf bewegte Ladungen (Ströme), während es auf stationäre Ladungen keine Wirkung hat.
Das Hauptmerkmal des Magnetfelds ist der magnetische Induktionsvektor 
:
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Der Modul des magnetischen Induktionsvektors ist numerisch gleich der maximalen Kraft, die von der Seite des Magnetfelds auf einen Leiter der Einheitslänge wirkt, durch den ein Strom der Einheitsstärke fließt. Vektor 
bildet mit Kraftvektor und Stromrichtung ein rechtes Tripel. Somit ist die magnetische Induktion die Leistungscharakteristik eines Magnetfelds.
Die SI-Einheit der magnetischen Induktion ist Tesla (T).
Kraftlinien eines Magnetfelds werden als gedachte Linien bezeichnet, deren Tangenten in jedem Punkt mit der Richtung des magnetischen Induktionsvektors zusammenfallen. Magnetfeldlinien sind immer geschlossen, schneiden sich nie.
Das Ampèresche Gesetz bestimmt die Kraftwirkung eines Magnetfeldes auf einen stromdurchflossenen Leiter.
Wenn in einem Magnetfeld mit Induktion 
platziert einen stromführenden Leiter, dann auf jedem stromgerichteten Element 
Dirigent, die Ampère-Kraft wirkt, bestimmt durch das Verhältnis
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.Die Richtung der Ampère-Kraft fällt mit der Richtung des Kreuzprodukts zusammen 
,
diese. sie steht senkrecht auf der Ebene, in der die Vektoren liegen 
und 
(Abb. 1).
Reis. 1. Bestimmung der Richtung der Ampère-Kraft
Wenn ein 
aufrecht 
,
dann kann die Richtung der Ampere-Kraft durch die Regel der linken Hand bestimmt werden: Richten Sie vier ausgestreckte Finger entlang des Stroms, platzieren Sie die Handfläche senkrecht zu den Kraftlinien, dann zeigt der Daumen die Richtung der Ampere-Kraft an. Das Ampèresche Gesetz ist die Grundlage für die Definition der magnetischen Induktion, d.h. Beziehung (1) folgt aus Formel (2), die in Skalarform geschrieben ist.
Die Lorentzkraft ist die Kraft, mit der ein elektromagnetisches Feld auf ein geladenes Teilchen wirkt, das sich in diesem Feld bewegt. Die Lorentz-Kraftformel wurde erstmals von G. Lorentz als Ergebnis der Verallgemeinerung der Erfahrung erhalten und hat die Form:
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.wo 
ist die Kraft, die auf ein geladenes Teilchen in einem elektrischen Feld mit Intensität wirkt 
;
–
Kraft, die auf ein geladenes Teilchen in einem Magnetfeld wirkt.
Die Formel für die magnetische Komponente der Lorentzkraft ergibt sich aus dem Ampereschen Gesetz, da der Strom eine geordnete Bewegung elektrischer Ladungen ist. Würde das Magnetfeld nicht auf bewegte Ladungen wirken, hätte es auch keine Wirkung auf einen stromdurchflossenen Leiter. Die magnetische Komponente der Lorentzkraft ist gegeben durch:
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.Diese Kraft ist senkrecht zu der Ebene gerichtet, in der die Geschwindigkeitsvektoren liegen 
und Magnetfeldinduktion 
; seine Richtung stimmt mit der Richtung des Vektorprodukts überein 
zum q
> 0 und mit Richtung 
zum q>0
(Abb. 2). 
Reis. 2. Bestimmung der Richtung der magnetischen Komponente der Lorentzkraft
Wenn der Vektor 
senkrecht zum Vektor 
, dann kann die Richtung der magnetischen Komponente der Lorentzkraft für positiv geladene Teilchen durch die Linkshandregel und für negativ geladene Teilchen durch die Rechtshandregel bestimmt werden. Denn die magnetische Komponente der Lorentzkraft ist immer senkrecht zur Geschwindigkeit gerichtet 
, dann verrichtet es keine Arbeit, um das Teilchen zu bewegen. Es kann nur die Richtung der Geschwindigkeit geändert werden 
,
die Flugbahn des Teilchens biegen, d.h. wirken als Zentripetalkraft.
Zur Berechnung von Magnetfeldern wird das Biot-Savart-Laplace-Gesetz verwendet (Definitionen 
) von Leitern mit Strom erzeugt.
Nach dem Biot-Savart-Laplace-Gesetz ist jedes stromgerichtete Element ein Leiter 
schafft an einem Punkt in der Ferne 
von diesem Element das Magnetfeld, dessen Induktion durch die Beziehung bestimmt wird:
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.wo 
H/m ist die magnetische Konstante; µ
ist die magnetische Permeabilität des Mediums.
Reis. 3. Zum Gesetz von Biot-Savart-Laplace
Richtung 
mit der Richtung des Vektorprodukts übereinstimmt 
, d.h. 
senkrecht zu der Ebene, in der die Vektoren liegen 
und 
. Gleichzeitig 
ist eine Tangente an die Feldlinie, deren Richtung durch die Gimlet-Regel bestimmt werden kann: Wenn die Translationsbewegung der Spitze des Gimlets entlang der Strömung gerichtet ist, bestimmt die Drehrichtung des Griffs die Richtung des Magnetfeldlinie (Abb. 3).
Um das vom gesamten Leiter erzeugte Magnetfeld zu finden, müssen Sie das Prinzip der Überlagerung von Feldern anwenden:
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.Berechnen wir zum Beispiel die magnetische Induktion im Zentrum des Kreisstroms (Abb. 4).
Reis. 4. Zur Berechnung des Feldes im Zentrum der Kreisströmung
Für Kreisstrom 
und 
, also hat die Beziehung (5) in Skalarform die Form:
Das Gesetz des vollen Stroms (Theorem der Zirkulation der magnetischen Induktion) ist ein weiteres Gesetz zur Berechnung von Magnetfeldern.
Das Gesamtstromgesetz für ein Magnetfeld im Vakuum hat die Form:
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.wo B l
–
Projektion 
auf dem Leiterelement 
vom Strom gelenkt.
Die Zirkulation des magnetischen Induktionsvektors entlang eines beliebigen geschlossenen Kreises ist gleich dem Produkt aus der magnetischen Konstante und der algebraischen Summe der von diesem Kreis abgedeckten Ströme.
Das Ostrogradsky-Gauß-Theorem für ein Magnetfeld lautet wie folgt:
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.wo B n
–
Vektorprojektion 
zu normal 
zum Ort dS.
Der Fluss des magnetischen Induktionsvektors durch eine beliebige geschlossene Fläche ist gleich Null.
Die Natur des Magnetfeldes folgt aus den Formeln (9), (10).
Bedingung für die Potentialität des elektrischen Feldes ist die Nullgleichheit der Zirkulation des Intensitätsvektors 
.
Das potentielle elektrische Feld wird durch unbewegliche elektrische Ladungen erzeugt; Feldlinien sind nicht geschlossen, sie beginnen bei positiven Ladungen und enden bei negativen.
Aus Formel (9) sehen wir, dass in einem Magnetfeld die Zirkulation des magnetischen Induktionsvektors ungleich Null ist, daher ist das Magnetfeld kein Potential.
Aus Beziehung (10) folgt, dass es keine magnetischen Ladungen gibt, die potentielle Magnetfelder erzeugen können. (In der Elektrostatik schwelt ein ähnlicher Satz von der Form 
.
Magnetische Kraftlinien schließen sich. Ein solches Feld nennt man Wirbelfeld. Das Magnetfeld ist also ein Wirbelfeld. Die Richtung der Feldlinien wird durch die Gimlet-Regel bestimmt. In einem geradlinigen unendlich langen Leiter mit Strom haben die Kraftlinien die Form von konzentrischen Kreisen, die den Leiter bedecken (Abb. 3).
MINISTERIUM FÜR BILDUNG UND WISSENSCHAFT
RUSSISCHE FÖDERATION
BUNDESHAUSHALT BILDUNGSEINRICHTUNG FÜR HOCHSCHULBILDUNG
"KURGAN STAATLICHE UNIVERSITÄT"
AUFSATZ
Im Fach "Physik" Thema: "Anwendung der Lorentzkraft"
Ausgefüllt von: Schülergruppe T-10915 Logunova M.V.
Lehrer Woronzow B.S.
Kurgan 2016
Einführung 3
1. Nutzung der Lorentzkraft 4
1.1. Kathodenstrahlgeräte 4
1.2 Massenspektrometrie 5
1.3 MHD-Generator 7
1.4 Zyklotron 8
Fazit 10
Referenzen 11
Einführung
Lorentzkraft- die Kraft, mit der das elektromagnetische Feld gemäß der klassischen (Nicht-Quanten-)Elektrodynamik auf ein punktförmiges geladenes Teilchen wirkt. Manchmal wird die Lorentz-Kraft als die Kraft bezeichnet, die auf eine Bewegung mit einer Geschwindigkeit wirkt υ aufladen q nur von der Seite des Magnetfeldes oft die volle Kraft - von der Seite des elektromagnetischen Feldes überhaupt, also von der Seite des Elektrischen E nicht magnetisch B Felder.
Im Internationalen Einheitensystem (SI) wird es ausgedrückt als:
F L = qυ B sinα
Benannt ist sie nach dem niederländischen Physiker Hendrik Lorenz, der 1892 einen Ausdruck für diese Kraft entwickelte. Drei Jahre vor Lorentz wurde der richtige Ausdruck von O. Schwerseite.
Die makroskopische Manifestation der Lorentz-Kraft ist die Ampère-Kraft.
Verwendung der Lorentzkraft
Die Wirkung, die ein Magnetfeld auf bewegte geladene Teilchen ausübt, ist in der Technik sehr weit verbreitet.
Die Hauptanwendung der Lorentz-Kraft (genauer gesagt ihr Spezialfall - die Ampère-Kraft) sind elektrische Maschinen (Elektromotoren und Generatoren). Die Lorentz-Kraft wird häufig in elektronischen Geräten verwendet, um auf geladene Teilchen (Elektronen und manchmal Ionen) einzuwirken, beispielsweise beim Fernsehen Kathodenstrahlröhren, in Massenspektrometer und MHD-Generatoren.
Auch in den derzeit geschaffenen Versuchsanlagen zur Durchführung einer kontrollierten thermonuklearen Reaktion wird die Einwirkung eines Magnetfelds auf das Plasma verwendet, um es zu einer Schnur zu verdrehen, die die Wände der Arbeitskammer nicht berührt. Die kreisförmige Bewegung geladener Teilchen in einem homogenen Magnetfeld und die Unabhängigkeit der Periode einer solchen Bewegung von der Geschwindigkeit des Teilchens werden in zyklischen Beschleunigern geladener Teilchen verwendet - Zyklotrone.
1. Elektronenstrahlgeräte
Elektronenstrahlgeräte (EBD) – eine Klasse vakuumelektronischer Geräte, die einen Elektronenstrom verwenden, der in Form eines einzelnen Strahls oder Strahlenbündels konzentriert ist, die sowohl durch Intensität (Strom) als auch durch Position im Raum gesteuert werden und mit ihnen interagieren ein festes räumliches Ziel (Bildschirm) des Geräts. Der Hauptanwendungsbereich von ELP ist die Umwandlung optischer Informationen in elektrische Signale und die Rückwandlung eines elektrischen Signals in ein optisches, beispielsweise in ein sichtbares Fernsehbild.
Die Klasse der Kathodenstrahlgeräte umfasst nicht Röntgenröhren, Photozellen, Photomultiplier, Gasentladungsgeräte (Dekatrons) und empfangsverstärkende elektronische Lampen (Strahltetroden, elektrische Vakuumindikatoren, Sekundäremissionslampen usw.) mit einem Strahl Form von Strömen.
Ein Elektronenstrahlgerät besteht aus mindestens drei Hauptteilen:
Ein elektronischer Suchscheinwerfer (Pistole) bildet einen Elektronenstrahl (oder einen Strahl von Strahlen, z. B. drei Strahlen in einer Farb-Bildröhre) und steuert seine Intensität (Strom);
Das Umlenksystem steuert die räumliche Lage des Strahls (seine Abweichung von der Strahlerachse);
Das Ziel (Bildschirm) des empfangenden ELP wandelt die Energie des Strahls in den Lichtstrom des sichtbaren Bildes um; das Ziel des sendenden oder speichernden ELP akkumuliert ein räumliches Potentialrelief, das von einem Abtastelektronenstrahl gelesen wird
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Reis. 1 CRT-Gerät |
Im CRT-Tank wird ein tiefes Vakuum erzeugt. Um einen Elektronenstrahl zu erzeugen, wird ein Gerät namens Elektronenkanone verwendet. Die durch das Filament erhitzte Kathode gibt Elektronen ab. Durch Ändern der Spannung an der Steuerelektrode (Modulator) können Sie die Intensität des Elektronenstrahls und dementsprechend die Helligkeit des Bildes ändern. Nach Verlassen der Kanone werden die Elektronen durch die Anode beschleunigt. Als nächstes durchläuft der Strahl ein Umlenksystem, das die Richtung des Strahls ändern kann. In Fernseh-CRTs wird ein magnetisches Ablenksystem verwendet, da es große Ablenkwinkel liefert. In Oszilloskop-CRTs wird ein elektrostatisches Ablenksystem verwendet, da es eine schnellere Reaktion bietet. Der Elektronenstrahl trifft auf einen mit Leuchtstoff beschichteten Schirm. Durch den Beschuss mit Elektronen leuchtet der Leuchtstoff und ein sich schnell bewegender Fleck mit variabler Helligkeit erzeugt ein Bild auf dem Bildschirm.
2 Massenspektrometrie
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Reis. 2 |
Massenspektrometer(Massenspektroskopie, Massenspektrographie, Massenspektrometrieanalyse, Massenspektrometrieanalyse) - ein Verfahren zur Untersuchung einer Substanz, das auf der Bestimmung des Masse-zu-Ladung-Verhältnisses von Ionen basiert, die während der Ionisation von interessierenden Probenkomponenten gebildet werden. Eine der leistungsstärksten Methoden zur qualitativen Identifizierung von Substanzen, die auch eine quantitative Bestimmung erlaubt. Wir können sagen, dass Massenspektrometrie das „Wiegen“ der Moleküle in der Probe ist.
Das Schema des einfachsten Massenspektrografen ist in Abbildung 2 dargestellt.
In Kammer 1, aus der die Luft evakuiert wird, befindet sich eine Ionenquelle 3. Die Kammer befindet sich in einem homogenen Magnetfeld, an dessen jedem Punkt die Induktion B⃗B → senkrecht zur Zeichenebene steht und auf uns gerichtet ist ( in Abbildung 1 ist dieses Feld durch Kreise gekennzeichnet). Zwischen den Elektroden A und B wird eine Beschleunigungsspannung angelegt, unter deren Wirkung die von der Quelle emittierten Ionen beschleunigt werden und mit einer bestimmten Geschwindigkeit senkrecht zu den Induktionslinien in das Magnetfeld eintreten. Die Ionen bewegen sich in einem Magnetfeld entlang eines Kreisbogens und fallen auf die fotografische Platte 2, wodurch der Radius R dieses Bogens bestimmt werden kann. In Kenntnis der Induktion des Magnetfeldes B und der Geschwindigkeit υ der Ionen nach der Formel
(1)
die spezifische Ladung der Ionen kann bestimmt werden. Und wenn die Ladung eines Ions bekannt ist, kann seine Masse berechnet werden.
Die Geschichte der Massenspektrometrie beginnt mit den grundlegenden Experimenten von J. J. Thomson zu Beginn des 20. Jahrhunderts. Die Endung „-metry“ im Namen der Methode entstand nach dem weit verbreiteten Übergang von der Detektion geladener Teilchen mit fotografischen Platten zu elektrischen Messungen von Ionenströmen.
Die Massenspektrometrie wird besonders häufig in der Analyse organischer Substanzen eingesetzt, da sie sowohl relativ einfache als auch komplexe Moleküle zuverlässig identifiziert. Die einzige allgemeine Anforderung ist, dass das Molekül ionisierbar ist. Mittlerweile ist es aber so
Es gibt so viele Möglichkeiten, Probenkomponenten zu ionisieren, dass die Massenspektrometrie als nahezu universelle Methode angesehen werden kann.
3 MHD-Generator
Das Funktionsprinzip eines MHD-Generators basiert wie ein herkömmlicher Maschinengenerator auf dem Phänomen der elektromagnetischen Induktion, dh auf dem Auftreten von Strom in einem Leiter, der die Magnetfeldlinien kreuzt. Im Gegensatz zu Maschinengeneratoren ist der Leiter im MHD-Generator das Arbeitsmedium selbst.
Der Arbeitskörper bewegt sich über das Magnetfeld, und unter der Wirkung des Magnetfelds entstehen entgegengesetzt gerichtete Ströme von Ladungsträgern mit entgegengesetzten Vorzeichen.
Auf ein geladenes Teilchen wirkt die Lorentzkraft.
Die folgenden Medien können als Arbeitskörper des MHD-Generators dienen:
Die ersten MHD-Generatoren verwendeten elektrisch leitfähige Flüssigkeiten (Elektrolyte) als Arbeitsflüssigkeit. Derzeit wird Plasma verwendet, bei dem Ladungsträger hauptsächlich freie Elektronen und positive Ionen sind. Unter dem Einfluss eines Magnetfeldes weichen Ladungsträger von der Bahn ab, auf der sich das Gas ohne Feld bewegen würde. In diesem Fall kann in einem starken Magnetfeld ein Hall-Feld auftreten (siehe Hall-Effekt) - ein elektrisches Feld, das durch Kollisionen und Verschiebungen geladener Teilchen in einer Ebene senkrecht zum Magnetfeld entsteht.
4 Zyklotron
Ein Zyklotron ist ein resonanter Kreisbeschleuniger nichtrelativistischer schwerer geladener Teilchen (Protonen, Ionen), in dem sich Teilchen in einem konstanten und gleichmäßigen Magnetfeld bewegen und zu ihrer Beschleunigung ein hochfrequentes elektrisches Feld mit konstanter Frequenz verwendet wird.
Das Schema des Zyklotrongeräts ist in Abb. 3 dargestellt. Schwer geladene Teilchen (Protonen, Ionen) treten aus einem Injektor in der Nähe der Mitte der Kammer in die Kammer ein und werden durch ein Wechselfeld mit fester Frequenz beschleunigt, das an Beschleunigungselektroden angelegt wird (es gibt zwei davon und sie werden Dees genannt). Teilchen mit der Ladung Ze und der Masse m bewegen sich in einem konstanten Magnetfeld der Stärke B, das senkrecht zur Ebene der Teilchenbewegung gerichtet ist, entlang einer sich abwickelnden Spirale. Der Radius R der Flugbahn eines Teilchens mit einer Geschwindigkeit v wird durch die Formel bestimmt
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Abb.5. Zyklotron-Schema: Draufsicht und Seitenansicht: 1 - Quelle schwerer geladener Teilchen (Protonen, Ionen), 2 - Umlaufbahn des beschleunigten Teilchens, 3 - Beschleunigungselektroden (dees), 4 - Beschleunigungsfeldgenerator, 5 - Elektromagnet. Die Pfeile zeigen die magnetischen Feldlinien). Sie stehen senkrecht zur Ebene der oberen Abbildung. |
In einem Zyklotron für ein nichtrelativistisches (γ ≈ 1) Teilchen in einem konstanten und gleichförmigen Magnetfeld ist der Radius der Umlaufbahn proportional zur Geschwindigkeit (1) und der Rotationsfrequenz eines nichtrelativistischen Teilchens (die Zyklotronfrequenz hängt nicht davon ab die Energie des Teilchens
(2)
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E = mv 2 /2 = (Ze) 2 B 2 R 2 /(2m) (3) |
Bei der letzten Windung der Helix wird ein ablenkendes elektrisches Feld eingeschaltet, das den Strahl nach außen bringt. Die Konstanz des Magnetfeldes und die Frequenz des Beschleunigungsfeldes ermöglichen eine kontinuierliche Beschleunigung. Während sich einige Partikel entlang der äußeren Windungen der Spirale bewegen, befinden sich andere in der Mitte des Pfades und wieder andere beginnen sich gerade zu bewegen.
Der Nachteil des Zyklotrons ist die Limitierung durch im Wesentlichen nicht-relativistische Teilchenenergien, da selbst nicht sehr große relativistische Korrekturen (Abweichungen von γ von Eins) den Gleichlauf der Beschleunigung auf verschiedenen Umdrehungen verletzen und Teilchen mit deutlich erhöhten Energien keine Zeit mehr haben zu sein im Spalt zwischen den Dees in der Phase des für die Beschleunigung notwendigen elektrischen Feldes . In konventionellen Zyklotronen können Protonen auf 20-25 MeV beschleunigt werden.
Um schwere Teilchen im Modus einer sich abwickelnden Spirale auf zehnmal höhere Energien (bis zu 1000 MeV) zu beschleunigen, wird eine Modifikation des Zyklotrons verwendet, genannt isochron(relativistisches) Zyklotron sowie ein Phasotron. Bei isochronen Zyklotronen werden relativistische Effekte durch eine radiale Erhöhung des Magnetfeldes kompensiert.
Fazit
Versteckter Text
Schriftliche Schlussfolgerung (die grundlegendste für alle Unterabsätze des ersten Abschnitts - Funktionsprinzipien, Definitionen)
Verzeichnis der verwendeten Literatur
Wikipedia [Elektronische Ressource]: Lorentz-Kraft. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Lorenz_force
Wikipedia [Elektronische Ressource]: Magnetohydrodynamischer Generator. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Magnetohydrodynamic_generator
Wikipedia [Elektronische Ressource]: Elektronenstrahlgeräte. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/electron-beam_devices
Wikipedia [Elektronische Ressource]: Massenspektrometrie. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Massenspektrometrie
Kernphysik im Internet [Elektronische Ressource]: Cyclotron. URL: http://nuclphys.sinp.msu.ru/experiment/accelerators/ciclotron.htm
Elektronisches Lehrbuch der Physik [Elektronische Ressource]: T. Anwendungen der Lorentzkraft //URL: http://www.physbook.ru/index.php/ T._Application_of_Lorentz_force
Akademiker [Elektronische Ressource]: Magnetohydrodynamischer Generator //URL: http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/MAGNETOHYDRODYNAMIC
Für die Wissenschaft ist das erworbene Wissen von großem Wert, das später seine praktische Anwendung finden kann. Neue Entdeckungen erweitern nicht nur den Forschungshorizont, sondern werfen auch neue Fragen und Probleme auf.
Lassen Sie uns das Wichtigste herausgreifen Amperes Entdeckungen auf dem Gebiet des Elektromagnetismus:
1. Wechselwirkungen von Leitern mit Strom
Zwei parallele Leiter mit Strömen werden angezogen, wenn die Ströme in ihnen in die gleiche Richtung gehen, und stoßen sich ab, wenn die Ströme in ihnen in die entgegengesetzte Richtung gehen.
Ampères Gesetz liest:
Die Wechselwirkungskraft zwischen zwei parallelen Leitern ist proportional zum Produkt der Ströme in den Leitern, proportional zur Länge dieser Leiter und umgekehrt proportional zum Abstand zwischen ihnen.
F ist die Wechselwirkungskraft zweier paralleler Leiter,
I1, I2 sind Ströme in Leitern,
∆ℓ ist die Länge der Leiter,
r ist der Abstand zwischen den Leitern.
Die Entdeckung dieses Gesetzes ermöglichte es, die Größe der Stromstärke, die bis dahin nicht existierte, in die Maßeinheiten einzuführen. Geht man also von der Definition der Stromstärke als Verhältnis der durch den Querschnitt des Leiters pro Zeiteinheit übertragenen Ladungsmenge aus, so erhält man eine im Grunde nicht messbare Größe, nämlich die übertragene Ladungsmenge der Querschnitt des Leiters. Aufgrund dieser Definition können wir keine Einheit der Stromstärke einführen. Mit dem Ampère-Gesetz können Sie einen Zusammenhang zwischen der Größe der Stromstärken in Leitern und empirisch messbaren Größen herstellen: mechanische Kraft und Entfernung. Somit konnte die Einheit der Stromstärke - 1 A (1 Ampere) - berücksichtigt werden.
Ein Ampere Strom - Dies ist ein solcher Strom, bei dem zwei homogene parallele Leiter, die sich im Vakuum in einem Abstand von einem Meter voneinander befinden, mit einer Kraft von 2∙10-7 Newton interagieren.
Gesetz der Wechselwirkung von Strömen - zwei parallele Leiter, die sich in einem Vakuum befinden und deren Durchmesser viel kleiner sind als die Abstände zwischen ihnen, wirken mit einer Kraft zusammen, die direkt proportional zum Produkt der Ströme in diesen Leitern und umgekehrt proportional zum Abstand zwischen ihnen ist.
2. Das Gesetz der Wirkung eines Magnetfeldes auf einen Leiter mit Strom
Das Gesetz der Wirkung eines Magnetfelds auf einen Leiter mit Strom drückt sich zunächst in der Wirkung eines Magnetfelds auf eine Spule oder Schleife mit Strom aus. Eine stromdurchflossene Spule in einem Magnetfeld wird also von einem Kraftmoment beeinflusst, das dazu neigt, diese Spule so zu drehen, dass ihre Ebene senkrecht zu den Linien des Magnetfelds steht. Der Drehwinkel der Spule ist direkt proportional zur Größe des Stroms in der Spule. Wenn das externe Magnetfeld in der Spule konstant ist, dann ist auch der Wert des Moduls der magnetischen Induktion ein konstanter Wert. Die Fläche der Spule bei nicht sehr hohen Strömen kann auch als konstant angesehen werden, daher ist es richtig, dass die Stromstärke gleich dem Produkt des Moments der Kräfte ist, die die Spule mit Strom um einige Konstante unter unveränderten Bedingungen drehen , Wert.
I - Stromstärke,
M ist das Moment der Kräfte, die die Spule mit Strom drehen.
Daher wird es möglich, die Stromstärke durch den Drehwinkel des Rahmens zu messen, der in das Messgerät implementiert ist - ein Amperemeter (Abb. 1).
Nachdem Ampère die Wirkung eines Magnetfelds auf einen stromdurchflossenen Leiter entdeckt hatte, erkannte er, dass diese Entdeckung genutzt werden könnte, um einen Leiter in einem Magnetfeld in Bewegung zu versetzen. So kann Magnetismus in mechanische Bewegung umgewandelt werden – um einen Motor zu erschaffen. Einer der ersten, der mit Gleichstrom betrieben wurde, war ein Elektromotor (Abb. 2), der 1834 vom russischen Elektroingenieur B. S. Jacobi entwickelt wurde.
Stellen Sie sich ein vereinfachtes Modell des Motors vor, das aus einem festen Teil besteht, an dem Magnete befestigt sind - dem Stator. Im Inneren des Stators kann sich ein Rahmen aus leitfähigem Material, der Rotor genannt wird, frei drehen. Damit elektrischer Strom durch den Rahmen fließen kann, wird dieser über Schleifkontakte mit den Klemmen verbunden. Wenn Sie den Motor in einem Stromkreis mit einem Voltmeter an eine Gleichstromquelle anschließen, beginnt sich der Rahmen mit Strom zu drehen, wenn der Stromkreis geschlossen ist.
1269 verfasste der französische Naturforscher Pierre Marie Court ein Werk mit dem Titel „Letter on the Magnet“. Das Hauptziel von Pierre Marie Cour war es, ein Perpetuum mobile zu schaffen, in dem er die erstaunlichen Eigenschaften von Magneten nutzen wollte. Wie erfolgreich seine Versuche waren, ist nicht bekannt, sicher ist jedoch, dass Jacobi das Boot mit seinem Elektromotor in Bewegung setzte, während er es schaffte, es auf eine Geschwindigkeit von 4,5 km / h zu bringen.
Es ist notwendig, ein weiteres Gerät zu erwähnen, das auf der Grundlage der Ampère-Gesetze arbeitet. Ampere zeigte, dass sich eine Spule mit Strom wie ein Permanentmagnet verhält, was bedeutet, dass es möglich ist, zu entwerfen Elektromagnet- ein Gerät, dessen Leistung eingestellt werden kann.
Ampere hatte die Idee, dass eine Kombination aus Leitern und Magnetnadeln ein Gerät schaffen kann, das Informationen über eine Distanz überträgt. Die Idee des Telegraphen entstand bereits in den ersten Monaten nach der Entdeckung des Elektromagnetismus. Der elektromagnetische Telegraf wurde jedoch weit verbreitet, nachdem Samuel Morse einen bequemeren Apparat geschaffen und vor allem ein binäres Alphabet entwickelt hatte, das aus Punkten und Strichen besteht und als "Morsecode" bezeichnet wird (Abb. 3).
Als der Mathematiker Gauß die Forschung von Ampere kennenlernte, schlug er vor, eine Originalpistole zu bauen (Abb. 4), die nach dem Prinzip der Wirkung eines Magnetfelds auf eine Eisenkugel - ein Projektil - arbeitete.
Es ist notwendig, auf die historische Ära zu achten, in der diese Entdeckungen gemacht wurden. In der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts ist Europa auf dem Weg der industriellen Revolution sprunghaft vorangekommen – eine fruchtbare Zeit für Forschungserkenntnisse und deren rasche Umsetzung in die Praxis. Ampere hat zweifellos einen wesentlichen Beitrag zu diesem Prozess geleistet und der Zivilisation Elektromagnete, Elektromotoren und den Telegrafen gegeben, die immer noch weit verbreitet sind.
Lassen Sie uns die wichtigsten Entdeckungen von Lorentz hervorheben.
Lorentz fand heraus, dass ein Magnetfeld auf ein sich darin bewegendes Teilchen einwirkt und es dazu zwingt, sich entlang eines Kreisbogens zu bewegen:
Da die Lorentzkraft eine Zentripetalkraft senkrecht zur Geschwindigkeitsrichtung ist. Zunächst einmal ermöglicht das von Lorentz entdeckte Gesetz, eine so wichtige Eigenschaft wie das Verhältnis von Ladung zu Masse zu bestimmen - spezifische Gebühr.
Der Wert der spezifischen Ladung ist ein für jedes geladene Teilchen einzigartiger Wert, der es ermöglicht, sie zu identifizieren, sei es ein Elektron, ein Proton oder irgendein anderes Teilchen. Wissenschaftler erhielten somit ein leistungsfähiges Werkzeug für die Forschung. Rutherford gelang es beispielsweise, radioaktive Strahlung zu analysieren und ihre Bestandteile zu identifizieren, darunter Alpha-Teilchen - die Kerne des Heliumatoms und Beta-Teilchen - Elektronen. Im zwanzigsten Jahrhundert erschienen Beschleuniger, deren Arbeit darauf beruht, dass geladene Teilchen in einem Magnetfeld beschleunigt werden. Auf diesem Prinzip basiert der Large Hadron Collider. Dank der Entdeckungen von Lorentz erhielt die Wissenschaft ein grundlegend neues Werkzeug für die physikalische Forschung, das den Weg in die Welt der Elementarteilchen öffnete.
Um den Einfluss eines Wissenschaftlers auf den technologischen Fortschritt zu charakterisieren, sei daran erinnert, dass aus dem Ausdruck für die Lorentzkraft der Krümmungsradius der Bahn eines Teilchens berechnet werden kann, das sich in einem konstanten Magnetfeld bewegt. Unter konstanten äußeren Bedingungen hängt dieser Radius von der Masse des Teilchens, seiner Geschwindigkeit und Ladung ab. Somit haben wir die Möglichkeit, geladene Teilchen nach diesen Parametern zu klassifizieren und können somit beliebige Mischungen analysieren. Wenn ein Stoffgemisch in gasförmigem Zustand ionisiert, dispergiert und in ein Magnetfeld geleitet wird, beginnen sich die Partikel entlang Kreisbögen mit unterschiedlichen Radien zu bewegen - die Partikel verlassen das Feld an verschiedenen Stellen und es bleibt nur noch zu fixieren diese Ausgangspunkte, die mit einem mit einem Leuchtstoff bedeckten Bildschirm implementiert wird, der leuchtet, wenn geladene Teilchen darauf treffen. Genau so funktioniert es Massenanalysator. Massenanalysatoren werden in der Physik und Chemie häufig verwendet, um die Zusammensetzung von Gemischen zu analysieren.
Dies sind nicht alle technischen Geräte, die auf der Grundlage der Entwicklungen und Entdeckungen von Ampere und Lorentz funktionieren, denn früher oder später hören wissenschaftliche Erkenntnisse auf, ausschließliches Eigentum von Wissenschaftlern zu sein, und werden Eigentum der Zivilisation, während sie in verschiedenen technischen verkörpert sind Geräte, die unser Leben angenehmer machen.
Die Einwirkung eines Magnetfelds auf bewegte Ladungen ist in der modernen Technik weit verbreitet und spielt in der Natur eine wichtige Rolle. Lassen Sie uns einige Beispiele geben.
Bewegung eines geladenen Teilchens in einem gleichförmigen Magnetfeld
Der einfachste Fall der Bewegung eines geladenen Teilchens in einem Magnetfeld ist die Bewegung in einem homogenen Magnetfeld mit einer magnetischen Induktion senkrecht zur Anfangsgeschwindigkeit des Teilchens (Abb. 4.49). Betrachten wir diese Bewegung quantitativ.
Da das Magnetfeld den Geschwindigkeitsmodul nicht ändert, bleibt der Modul der Lorentzkraft unverändert. Diese Kraft steht senkrecht zur Geschwindigkeit und bestimmt damit die Zentripetalbeschleunigung des Teilchens. Die Invarianz des Moduls der Zentripetalbeschleunigung eines Teilchens, das sich mit einer konstanten Modulo-Geschwindigkeit bewegt, bedeutet, dass der Krümmungsradius R der ebenen Flugbahn des Teilchens konstant ist. Partikel gleichmäßig
bewegt sich entlang eines Kreises mit Radius R. Lassen Sie uns diesen Radius definieren. Nach dem zweiten Newtonschen Gesetz
2
=qvB. (4.10.1)
Von hier
(4.10.2)
Daher können wir durch Messen von R mit bekanntem v und B
qv
Bestimmung der spezifischen Ladung - = verschiedene Teilchen.
171J5K
Massenspektrograf
Mithilfe eines Magnetfelds ist es möglich, geladene Teilchen nach ihrer spezifischen Ladung zu trennen. Gleichzeitig ist es möglich, die Massen der Partikel genau zu bestimmen. Die Trennung von Partikeln wird in Geräten durchgeführt, die als Massenspektrografen bezeichnet werden.
Partikelquelle
Reis. 4,50
Pumpen_
Akku erstellen
Beschleunigung [¦
Stromspannung
Abbildung 4.50 zeigt schematisch einen einfachen Massenspektrographen. Die Vakuumkammer des Geräts wird in ein Magnetfeld gebracht (der Induktionsvektor B steht senkrecht auf der Abbildung). Geladene Teilchen (Elektronen oder Ionen), die durch ein elektrisches Feld beschleunigt werden und einen Bogen beschrieben haben, fallen auf eine Fotoplatte, wo sie eine Spur hinterlassen, die es ermöglicht, den Radius der Flugbahn R mit großer Genauigkeit zu messen das Ion wird aus diesem Radius bestimmt. Wenn man die Ladung eines Ions kennt, ist es einfach, seine Masse zu bestimmen.
Zyklotron
Zeigen wir mit Formel (4.10.2), dass die Zeit, die ein gegebenes Teilchen braucht, um einen Halbkreis zu durchqueren, nicht vom Radius des Halbkreises und von der Geschwindigkeit des Teilchens abhängt. Tatsächlich,
d.h. At hängt nur von den Eigenschaften des Teilchens und der Feldinduktion ab.
Diese Tatsache wird im Zyklotron ausgenutzt, um geladene Teilchen durch ein relativ kleines elektrisches Feld für eine Anzahl von Zyklen zu beschleunigen.
Das Zyklotron ist wie folgt angeordnet. In einer Kammer, in der ein Vakuum aufrechterhalten wird, befinden sich zwei speziell geformte Elektroden - Dees (die an einen Hohlzylinder mit entlang der Achse geschnittenen Deckeln erinnern) (Abb. 4.51). Die Dees werden zwischen die Pole eines starken Magneten gelegt und mit einer variablen Potentialdifferenz beaufschlagt. Eine Quelle geladener Teilchen wird in der Mitte der Kammer zwischen den Dees platziert. In diesem Moment, wenn zwischen den Elektroden ein hoher Potentialunterschied besteht, beschleunigt das elektrische Feld im Spalt zwischen ihnen die geladenen Teilchen.
Die beschleunigten Teilchen fliegen in den inneren Teil des Dees, wo das elektrische Feld praktisch nicht vorhanden ist. Bewegen Sie sich unter der Wirkung der Lorentz-Kraft im Kreis, berechnete Stunden - X
"71 Generator
Variable
Stromspannung
freier Tag
Gerät Abb. 4.51
in
1
Bildschirm
Elektronischer Projektor
Elektronenstrahl Abb. 4.52
Beschleunigungsanode-. Ablehnen. System
Die Fokussierspulen erscheinen nach einer halben Umdrehung wieder im Spalt zwischen den Dees. Die Teilchen, die sich mit geeigneter Geschwindigkeit bewegt haben, passieren den Spalt gerade in dem Moment (nach der Hälfte der Änderungsperiode der an den Dees angelegten Spannung), wenn das elektrische Feld dort Zeit hat, seine Richtung in die entgegengesetzte Richtung zu ändern. Solche Teilchen werden erneut beschleunigt, beschreiben einen Halbkreis mit noch größerem Radius innerhalb eines anderen Dees und nähern sich im geeigneten Moment erneut dem Beschleunigungsspalt usw.; aber die Durchgangszeit des Halbkreises bleibt unverändert, da sie nicht von der Geschwindigkeit des Teilchens abhängt. Die restlichen Teilchen werden schlecht oder gar nicht beschleunigt. "Günstige" Teilchen beschreiben im Inneren des Zyklotrons eine lange Spirale mit mehreren Windungen, die aus Halbkreisen besteht. Mit Hilfe von Zyklotronen werden Protonen (die Kerne des Wasserstoffatoms) auf Energien von 10–20 Millionen eV beschleunigt.
Zyklotrone und andere leistungsstärkere Teilchenbeschleuniger sind in der Kern- und Elementarteilchenphysik weit verbreitet. Durch die Untersuchung von Kollisionen beschleunigter Teilchen mit Zielteilchen erhalten Physiker die Möglichkeit, die Struktur von Mikroteilchen, die zwischen ihnen wirkenden Kräfte und die gegenseitigen Umwandlungen von Elementarteilchen zu untersuchen. Dies wird später besprochen.
Eine andere Anwendung der Lorentzkraft ist Ihnen bekannt. Dies ist die Bewegung eines Elektronenstrahls über den Bildschirm von Fernsehröhren (Bildröhren) mit Hilfe eines Magnetfelds, das von speziellen Spulen erzeugt wird (Abb. 4.52).? Erdmagnetschild
Das Magnetfeld der Erde hat einen erheblichen Einfluss auf den Strom geladener Teilchen aus dem Weltraum (kosmische Strahlung). Zusammen mit der Atmosphäre und der Ionosphäre bildet sie den dritten „Schutzgürtel“. Das Magnetfeld erlaubt keine Ströme kosmischer Teilchen, sich der Erde zu nähern, es sei denn, ihre Energie ist zu hoch. Nur im Bereich der Magnetpole können diese Teilchen ungehindert in die Atmosphäre eindringen. In großer Höhe ist das Magnetfeld klein, erfasst aber weite Bereiche des Weltraums. Wenn es lange Zeit auf ein geladenes Teilchen einwirkt, ändert es seine Flugbahn erheblich. Anstelle einer geraden Linie entsteht eine Spirale, die sich um die Feldinduktionslinien windet (Abb. 4.53). Wenn jedoch die Geschwindigkeit des Teilchens hoch ist, hat es manchmal keine Zeit, auch nur eine Umdrehung zu machen, und dann können wir nur über die Krümmung der Flugbahn sprechen.
Die Lorentzkraft wirkt nicht auf ein Teilchen, das entlang der Induktionslinie fliegt. Deshalb können sich die Teilchen ungehindert den Polen nähern, von wo aus die magnetischen Induktionslinien auffächern.
Außerdem hält das Erdmagnetfeld geladene Teilchen nicht zu hoher Energie in großer Höhe. Diese Partikelhalos, die den Globus umgeben, werden als Strahlungsgürtel bezeichnet.
Das Magnetfeld hat einen großen Einfluss auf die Bewegung geladener Teilchen im Weltraum, Teilchen auf der Oberfläche der Sonne und anderer Sterne.
Die Lorentzkraft wird zur Berechnung der Bewegung geladener Teilchen im erdnahen Weltraum, in Fernsehbildröhren, Elementarteilchenbeschleunigern und in vielen anderen Geräten verwendet.
Das Magnetfeld wirkt nur auf bewegte Ladungen. Daher wird in einem Bezugssystem, das sich zusammen mit den Elektronen des Leiters bewegt, die magnetische Kraft nicht auf die Elektronen wirken. Wie lässt sich aus der Sicht dieses Bezugssystems das Auftreten einer auf einen Leiter wirkenden Kraft erklären?
Neben der Ampère-Kraft, Coulomb-Wechselwirkung, elektromagnetischen Feldern begegnet man in der Physik häufig dem Begriff der Lorentz-Kraft. Dieses Phänomen ist neben anderen eines der grundlegenden in der Elektrotechnik und Elektronik. Es wirkt auf Ladungen, die sich in einem Magnetfeld bewegen. In diesem Artikel werden wir kurz und klar betrachten, was die Lorentzkraft ist und wo sie angewendet wird.
Definition
Wenn sich Elektronen durch einen Leiter bewegen, entsteht um ihn herum ein Magnetfeld. Wenn Sie den Leiter gleichzeitig in ein transversales Magnetfeld legen und bewegen, tritt eine EMF der elektromagnetischen Induktion auf. Fließt ein Strom durch einen Leiter, der sich in einem Magnetfeld befindet, wirkt auf ihn die Ampere-Kraft.
Sein Wert hängt vom fließenden Strom, der Länge des Leiters, der Größe des magnetischen Induktionsvektors und dem Sinus des Winkels zwischen den magnetischen Feldlinien und dem Leiter ab. Es wird nach der Formel berechnet:
Die betrachtete Kraft ist der oben diskutierten etwas ähnlich, wirkt aber nicht auf einen Leiter, sondern auf ein sich bewegendes geladenes Teilchen in einem Magnetfeld. Die Formel sieht so aus:
Wichtig! Die Lorentzkraft (Fl) wirkt auf ein Elektron, das sich in einem Magnetfeld bewegt, und Ampere wirkt auf einen Leiter.
Aus den beiden Formeln ist ersichtlich, dass sowohl im ersten als auch im zweiten Fall die Wirkung von Fa oder Fl auf den Leiter bzw. die Ladung umso größer ist, je näher der Sinus des Winkels Alpha bei 90 Grad liegt.
Die Lorentzkraft charakterisiert also nicht eine Änderung der Größe der Geschwindigkeit, sondern welche Art von Einfluss von der Seite des Magnetfelds auf ein geladenes Elektron oder ein positives Ion auftritt. Wenn es ihnen ausgesetzt wird, wirkt Fl nicht. Dementsprechend ändert sich die Richtung der Geschwindigkeit des geladenen Teilchens und nicht seine Größe.
Als Maßeinheit der Lorentzkraft wird, wie bei anderen Kräften in der Physik, eine Größe wie Newton verwendet. Seine Bestandteile:
Wie wird die Lorentzkraft gerichtet?
Um die Richtung der Lorentz-Kraft zu bestimmen, funktioniert wie bei der Ampère-Kraft die Linke-Hand-Regel. Das heißt, um zu verstehen, wohin der Wert von Fl gerichtet ist, müssen Sie die Handfläche Ihrer linken Hand öffnen, sodass die magnetischen Induktionslinien in die Hand eintreten und die ausgestreckten vier Finger die Richtung des Geschwindigkeitsvektors anzeigen. Dann zeigt der rechtwinklig zur Handfläche gebogene Daumen die Richtung der Lorentzkraft an. Im Bild unten sehen Sie, wie Sie die Richtung bestimmen.
Aufmerksamkeit! Die Richtung der Lorentzschen Wirkung ist senkrecht zur Bewegung des Teilchens und den Linien der magnetischen Induktion.
Genauer gesagt kommt es in diesem Fall für positiv und negativ geladene Teilchen auf die Richtung der vier ausgestreckten Finger an. Die oben beschriebene Linke-Hand-Regel wird für ein positives Teilchen formuliert. Wenn es negativ geladen ist, sollten die magnetischen Induktionslinien nicht auf die offene Handfläche, sondern auf ihre Rückseite gerichtet sein, und die Richtung des Vektors Fl ist entgegengesetzt.
Jetzt werden wir in einfachen Worten sagen, was uns dieses Phänomen gibt und welche tatsächlichen Auswirkungen es auf Ladungen hat. Nehmen wir an, ein Elektron bewegt sich in einer Ebene senkrecht zur Richtung der magnetischen Induktionslinien. Wir haben bereits erwähnt, dass Fl die Geschwindigkeit nicht beeinflusst, sondern nur die Richtung der Partikelbewegung ändert. Dann wirkt die Lorentzkraft zentripetal. Dies spiegelt sich in der folgenden Abbildung wider.
Anwendung
Einer der größten Anwendungsbereiche der Lorentzkraft ist die Bewegung von Teilchen im Erdmagnetfeld. Wenn wir unseren Planeten als einen großen Magneten betrachten, dann machen die Teilchen, die sich in der Nähe der magnetischen Nordpole befinden, eine beschleunigte Bewegung in einer Spirale. Dadurch kollidieren sie mit Atomen aus der oberen Atmosphäre, und wir sehen die Nordlichter.
Es gibt jedoch andere Fälle, in denen dieses Phänomen zutrifft. Zum Beispiel:
- Kathodenstrahlröhren. In ihren elektromagnetischen Ablenksystemen. CRTs werden seit mehr als 50 Jahren in einer Vielzahl von Geräten verwendet, vom einfachsten Oszilloskop bis hin zu Fernsehern in verschiedenen Formen und Größen. Es ist merkwürdig, dass in Bezug auf die Farbwiedergabe und die Arbeit mit Grafiken einige immer noch CRT-Monitore verwenden.
- Elektrische Maschinen - Generatoren und Motoren. Wobei hier eher die Kraft von Ampere wirken dürfte. Aber diese Größen können als benachbart betrachtet werden. Dies sind jedoch komplexe Geräte, bei deren Betrieb der Einfluss vieler physikalischer Phänomene beobachtet wird.
- In geladenen Teilchenbeschleunigern, um ihre Bahnen und Richtungen festzulegen.
Fazit
Um die vier Hauptthesen dieses Artikels in einfachen Worten zusammenzufassen und zu skizzieren:
- Die Lorentzkraft wirkt auf geladene Teilchen, die sich in einem Magnetfeld bewegen. Dies folgt aus der Hauptformel.
- Sie ist direkt proportional zur Geschwindigkeit des geladenen Teilchens und der magnetischen Induktion.
- Beeinflusst die Partikelgeschwindigkeit nicht.
- Beeinflusst die Richtung des Partikels.
Seine Rolle ist in den "elektrischen" Bereichen ziemlich groß. Ein Spezialist sollte die grundlegenden theoretischen Informationen über grundlegende physikalische Gesetze nicht aus den Augen verlieren. Dieses Wissen wird nützlich sein, sowie für diejenigen, die sich mit wissenschaftlicher Arbeit, Design und nur für die allgemeine Entwicklung beschäftigen.
Jetzt wissen Sie, was die Lorentzkraft ist, was sie ausmacht und wie sie auf geladene Teilchen wirkt. Wenn Sie Fragen haben, stellen Sie sie in den Kommentaren unter dem Artikel!
Materialien
