Сила на Лоренц, приложение

МИНИСТЕРСТВО НА ОБРАЗОВАНИЕТО И НАУКАТА

ФЕДЕРАЛЕН ДЪРЖАВЕН БЮДЖЕТ ОБРАЗОВАТЕЛНА ИНСТИТУЦИЯ ЗА ВИСШЕ ПРОФЕСИОНАЛНО ОБРАЗОВАНИЕ

"КУРГАН ДЪРЖАВЕН УНИВЕРСИТЕТ"

По предмета "Физика" Тема: "Приложение на силата на Лоренц"

Изпълнено от: Студент от група Т-10915 Логунова М.В.

Учителят Воронцов Б.С.

1. Използване на силата на Лоренц 4

1.1. Катодни лъчеви устройства 4

1.2 Масспектрометрия 5

1.3 MHD генератор 7

Препратки 11

Силата на Лоренце силата, с която електромагнитното поле, според класическата (неквантова) електродинамика, действа върху точково заредена частица. Понякога силата на Лоренц се нарича силата, действаща върху зарядq, движещ се със скоростυсамо от страната на магнитното поле, често пълната сила се нарича от страната на електромагнитното поле като цяло, с други думи, от страната на електрическотоEи магнитнотоBполета.

В Международната система единици (SI) се изразява като:

Тя е кръстена на холандския физик Хендрик Лоренц, който разработва израз за тази сила през 1892 г. Три години преди Лоренц правилният израз е намерен от О. Хевисайд.

Макроскопичното проявление на силата на Лоренц е силата на Ампер.

Действието, упражнявано от магнитно поле върху движещи се заредени частици, се използва много широко в технологиите.

Използване на силата на Лоренц

Основното приложение на силата на Лоренц (по-точно нейният частен случай - силата на Ампер) са електрическите машини (електродвигатели и генератори). Силата на Лоренц се използва широко в електронните устройства заефекти върху заредени частици (електрони и понякога йони), например в телевизионниелектронно-лъчеви тръби, вмасова спектрометрияиMHD генератори.

Също така в създаваните в момента експериментални съоръжения за осъществяване на контролирана термоядрена реакция се използва въздействието на магнитно поле върху плазмата, за да се усуче във въже, което не докосва стените на работната камера. Движението на заредени частици в кръг в еднородно магнитно поле и независимостта на периода на такова движение от скоростта на частицата се използва в цикличните ускорители на заредени частици -циклотрони.

1. Катодно-лъчеви устройства

Електронно-лъчевите устройства (EBD) са клас вакуумни електронни устройства, които използват поток от електрони, концентриран под формата на единичен лъч или лъч от лъчи, които се управляват както по интензитет (ток), така и по позиция в пространството и взаимодействат със стационарна пространствена цел (екран) на устройството. Основният обхват на ELP е преобразуването на оптична информация в електрически сигнали и обратното преобразуване на електрически сигнал в оптичен, например във видимо телевизионно изображение.

Класът на електронно-лъчевите устройства не включва рентгенови тръби, фотоелементи, фотоумножители, газоразрядни устройства (декатрони) и приемно-усилващи електронни лампи (лъчеви тетроди, електрически вакуумни индикатори, вторични емисионни лампи и др.) с лъчева форма на токове.

Устройството с електронен лъч се състои от най-малко три основни части:

Електронен прожектор (пистолет) образува електронен лъч (или лъч от лъчи, например три лъча в цветен кинескоп) и контролира неговия интензитет (ток);

Отклоняващата система контролира пространственото положениелъч (чрез отклонението му от оста на прожектора);

Мишената (екранът) на приемащия ELP преобразува енергията на лъча в светлинния поток на видимото изображение; целта на предаващия или съхраняващия ELP натрупва пространствен потенциален релеф, прочетен от сканиращ електронен лъч

Фиг. 1 CRT устройство

Общи принципи на устройството.

В резервоара на CRT се създава дълбок вакуум. За създаване на електронен лъч се използва устройство, наречено електронна пушка. Катодът, нагрят от нишката, излъчва електрони. Чрез промяна на напрежението на управляващия електрод (модулатор) можете да промените интензитета на електронния лъч и съответно яркостта на изображението. След като напуснат пистолета, електроните се ускоряват от анода. След това лъчът преминава през отклоняваща система, която може да промени посоката на лъча. В телевизионните CRT се използва магнитна система за отклонение, тъй като осигурява големи ъгли на отклонение. В осцилоскопите CRT се използва електростатична система за отклонение, тъй като осигурява по-бърза реакция. Електронният лъч удря екран, покрит с фосфор. От бомбардиране от електрони луминофорът свети и бързо движещо се петно с променлива яркост създава изображение на екрана.

Действието на силата на Лоренц се използва и в устройства, наречени масспектрографи, които са предназначени да разделят заредени частици според техните специфични заряди.

Масова спектрометрия(масова спектроскопия, масова спектрография, масов спектрален анализ, масов спектрометричен анализ) е метод за изследване на вещество, базиран на определяне на съотношението маса към заряд на йони, образувани по време на йонизацията на интересуващите ни компоненти на пробата. Един от най-мощните методи за качествена идентификация на вещества, който позволява и количественаопределение. Можем да кажем, че масспектрометрията е "претеглянето" на молекулите в пробата.

Схемата на най-простия масспектрограф е показана на фигура 2.

В камера 1, от която се евакуира въздухът, има източник на йони 3. Камерата е поставена в еднородно магнитно поле, във всяка точка на което индукцията B⃗B → е перпендикулярна на равнината на чертежа и насочена към нас (на фигура 1 това поле е обозначено с кръгове). Между електродите А и В се прилага ускоряващо напрежение, под действието на което излъчените от източника йони се ускоряват и влизат в магнитното поле с определена скорост, перпендикулярна на индукционните линии. Движейки се в магнитно поле по дъга от окръжност, йоните попадат върху фотографската плака 2, което позволява да се определи радиусът R на тази дъга. Познавайки индукцията на магнитното поле B и скоростта υ на йоните, съгласно формулата

(1)

може да се определи специфичният заряд на йоните. И ако зарядът на един йон е известен, може да се изчисли неговата маса.

Историята на масспектрометрията започва с фундаменталните експерименти на J. J. Thomson в началото на 20 век. Окончанието „-метрия“ в името на метода се появи след широко разпространения преход от откриване на заредени частици с помощта на фотографски плаки към електрически измервания на йонни токове.

Масспектрометрията е особено широко използвана при анализа на органични вещества, тъй като осигурява надеждна идентификация както на относително прости, така и на сложни молекули. Единственото общо изискване е молекулата да може да се йонизира. Въпреки това, досега е било

има толкова много начини за йонизиране на компонентите на пробата, че масспектрометрията може да се счита за почти универсален метод.

3 MHD генератор

Фиг. 3 Разделяне положително (q>0) и отрицателно (q

плазма (йонизиран газ).

Първите MHD генератори са използвали електропроводими течности (електролити) като работна течност. В момента се използва плазма, в която носители на заряд са предимно свободни електрони и положителни йони. Под въздействието на магнитно поле носителите на заряд се отклоняват от траекторията, по която газът би се движил при липса на поле. В този случай в силно магнитно поле може да възникне поле на Хол (виж ефект на Хол) - електрическо поле, образувано в резултат на сблъсъци и измествания на заредени частици в равнина, перпендикулярна на магнитното поле.

Циклотронът е резонансен цикличен ускорител на нерелативистични тежки заредени частици (протони, йони), в който частиците се движат в постоянно и равномерно магнитно поле, а за тяхното ускоряване се използва високочестотно електрическо поле с постоянна честота.

Схемата на циклотронното устройство е показана на фиг.3. Тежките заредени частици (протони, йони) навлизат в камерата от инжектор близо до центъра на камерата и се ускоряват от променливо поле с фиксирана честота, приложено към ускоряващите електроди (има два от тях и се наричат dees). Частиците със заряд Ze и маса m се движат в постоянно магнитно поле със сила B, насочено перпендикулярно на равнината на движение на частиците, по развиваща се спирала. Радиусът R на траекторията на частица със скорост v се определя по формулата

(1)

Фиг.5. Циклотронна диаграма: изглед отгоре и отстрани: 1-източник на тежки заредени частици (протони, йони), 2-орбита на ускорена частица, 3-ускоряващи електроди (dees), 4-генератор на ускоряващо поле, 5-електромагнит. Стрелките показват линиите на магнитното поле). Те са перпендикулярни на равнината на горния чертеж

където γ = [1 - (v/c) 2 ] -1/2 е релативистичният фактор.

В циклотрон за нерелативистична (γ ≈ 1) частица в постоянно и еднородно магнитно поле радиусът на орбитата е пропорционален на скоростта (1), а честотата на въртене на нерелативистка частица (честотата на циклотрона не зависи от енергията на частицата

(2)

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

В пролуката между кухите частиците се ускоряват от импулсно електрическо поле (вътре в кухите метални кухи няма електрическо поле). В резултат на това енергията и радиусът на орбитата се увеличават. Чрез повтаряне на ускорението от електрическото поле при всеки оборот енергията и радиусът на орбитата се довеждат до максимално допустимите стойности. В този случай частиците придобиват скоростта v = ZeBR/m и съответстващата й енергия:

При последното завъртане на спиралата се включва отклоняващо електрическо поле, което извежда лъча навън. Постоянността на магнитното поле и честотата на ускоряващото поле правят възможно непрекъснатото ускорение. Докато някои частици се движат по външните завои на спиралата, други са в средата на пътя, а трети тепърва започват да се движат.

Недостатъкът на циклотрона е ограничението от по същество нерелативистични енергии на частиците, тъй като дори не много големи релативистични корекции (отклонения на γ от единица) нарушават синхронизма на ускорението на различни завои и частиците със значително увеличени енергии вече нямат време да бъдат в пролуката между деите във фазата на електрическото поле, необходимо за ускорение. В конвенционалните циклотрони протоните могат да бъдат ускорени до 20-25 MeV.

За ускоряване на тежки частици в режим на развиваща се спирала до десетки пъти по-високи енергии (до 1000 MeV) се използва модификация на циклотрона, наречена изохронен (релативистичен) циклотрон, както и фазотрон. В изохронни циклотрони, релативистични ефектисе компенсират от радиално увеличение на магнитното поле.

Писмено заключение (най-основното за всички алинеи на първия раздел - принципи на работа, определения)