HARIDUS- JA TEADUSMINISTEERIUM

VENEMAA FÖDERATSIOON

Föderaalosariigi EELARVEST KÄSITLEV KÕRGHARIDUSASUTUS

"KURGANI RIIKÜLIKOOL"

ESSEE

Õppeaines "Füüsika" Teema: "Lorentzi jõu rakendamine"

Lõpetanud: Õpilasrühm T-10915 Logunova M.V.

Õpetaja Vorontsov B.S.

Kurgan 2016

Sissejuhatus 3

1. Lorentzi jõu kasutamine 4

1.1. Katoodkiireseadmed 4

1.2 Massispektromeetria 5

1,3 MHD generaator 7

1.4 Cyclotron 8

Järeldus 10

Viited 11

Sissejuhatus

Lorentzi jõud- jõud, millega elektromagnetväli klassikalise (mitte-kvant)elektrodünaamika järgi mõjub punktlaenguga osakesele. Mõnikord nimetatakse Lorentzi jõudu jõuks, mis mõjutab liikumist kiirusega υ tasu q ainult magnetvälja küljelt, sageli täisjõud- elektriline pool magnetväliüldiselt ehk elektri poolelt E mittemagnetiline B väljad.

Rahvusvahelises mõõtühikute süsteemis (SI) väljendatakse seda järgmiselt:

F L = qυ B sinα

See on oma nime saanud Hollandi füüsiku Hendrik Lorenzi järgi, kes töötas selle jõu väljenduse 1892. aastal. Kolm aastat enne Lorentzi leidis õige väljendi O. Heaviside.

Lorentzi jõu makroskoopiline ilming on Ampère'i jõud.

Kasutades Lorentzi jõudu

Magnetvälja mõju liikuvatele laetud osakestele on tehnikas laialdaselt kasutusel.

Lorentzi jõu (täpsemalt selle erijuhtumi - Ampère'i jõu) peamiseks rakenduseks on elektrimasinad (elektrimootorid ja generaatorid). Lorentzi jõudu kasutatakse laialdaselt elektroonikaseadmetes, et mõjutada laetud osakesi (elektronid ja mõnikord ka ioonid), näiteks televisioonis. katoodkiiretorud, sisse massispektromeetria ja MHD generaatorid.

Samuti kasutatakse praegu kontrollitava termotuumareaktsiooni läbiviimiseks loodud katseruumides plasma magnetvälja mõjul selle keerdumist nööriks, mis ei puuduta töökambri seinu. Laetud osakeste tsüklilistes kiirendites kasutatakse laetud osakeste liikumist ringis ühtlases magnetväljas ja sellise liikumise perioodi sõltumatust osakese kiirusest - tsüklotronid.

1. Elektronkiire seadmed

Elektronkiire seadmed (EBD) - vaakumelektrooniliste seadmete klass, mis kasutavad elektronide voogu, mis on kontsentreeritud ühe kiire või kiirte kujul ja mida juhitakse nii intensiivsuse (voolu) kui ka asukoha järgi ruumis ja mis on interakteeruvad instrumendi fikseeritud ruumiline sihtmärk (ekraan). ELP põhivaldkond on optilise informatsiooni muundamine elektrilisteks signaalideks ja elektrilise signaali pöördmuundamine optiliseks, näiteks nähtavaks telepildiks.

Katoodkiirseadmete klassi ei kuulu kiirga röntgenlambid, fotoelemendid, fotokordistid, gaaslahendusseadmed (dekatronid) ja vastuvõtvad-võimenduselektroonilised lambid (kiirtetroodid, elektrilised vaakumindikaatorid, sekundaarsed emissioonilambid jne) voolude vorm.

Elektronkiire seade koosneb vähemalt kolmest põhiosast:

Elektrooniline prožektor (püstol) moodustab elektronkiire (või kiirte kiir, näiteks kolm kiirt värvikineskoobis) ja juhib selle intensiivsust (voolu);

Paindesüsteem kontrollib kiire ruumilist asendit (selle kõrvalekalle prožektori teljest);

Vastuvõtva ELP sihtmärk (ekraan) muundab kiire energia nähtava kujutise valgusvooks; edastava või salvestava ELP sihtmärk kogub skaneeriva elektronkiire poolt loetud ruumipotentsiaali reljeefi

Riis. 1 CRT seade

Seadme üldpõhimõtted.

CRT paagis luuakse sügav vaakum. Elektronkiire loomiseks kasutatakse seadet, mida nimetatakse elektronkahuriks. Hõõgniidi poolt kuumutatud katood kiirgab elektrone. Juhtelektroodi (modulaatori) pinget muutes saate muuta elektronkiire intensiivsust ja vastavalt ka pildi heledust. Pärast püstolist lahkumist kiirendatakse elektrone anood. Järgmisena läbib tala kõrvalekaldesüsteemi, mis võib muuta kiire suunda. Televiisori kineskooptorudes kasutatakse magnetilist läbipaindesüsteemi, kuna see tagab suured läbipaindenurgad. Ostsilloskoobi CRT-des kasutatakse elektrostaatilist läbipaindesüsteemi, kuna see tagab kiirema reageerimise. Elektronkiir tabab fosforiga kaetud ekraani. Elektronide pommitamise tõttu helendab luminofoor ja kiiresti liikuv muutuva heledusega koht loob ekraanile pildi.

2 Massispektromeetria

Riis. 2

Lorentzi jõu toimet kasutatakse ka massispektrograafideks nimetatavates seadmetes, mis on mõeldud laetud osakeste eraldamiseks nende spetsiifiliste laengute järgi.

Massispektromeetria(massispektroskoopia, massispektrograafia, massispektranalüüs, massispektromeetriline analüüs) - aine uurimise meetod, mis põhineb huvipakkuvate proovikomponentide ioniseerimisel tekkinud ioonide massi ja laengu suhte määramisel. Üks võimsamaid meetodeid ainete kvalitatiivseks tuvastamiseks, mis võimaldab ka kvantitatiivset määramist. Võime öelda, et massispektromeetria on proovis olevate molekulide "kaalumine".

Kõige lihtsama massispektrograafi skeem on näidatud joonisel 2.

Kambris 1, kust õhk evakueeritakse, on iooniallikas 3. Kamber asetatakse ühtlasesse magnetvälja, mille igas punktis on induktsioon B⃗B → risti joonise tasapinnaga ja suunatud meie poole ( joonisel 1 on see väli tähistatud ringidega). Elektroodide A ja B vahele rakendatakse kiirenduspinget, mille toimel allikast eralduvad ioonid kiirenevad ja sisenevad teatud kiirusega induktsioonijoontega risti magnetvälja. Liikudes magnetväljas mööda ringkaaret, langevad ioonid fotoplaadile 2, mis võimaldab määrata selle kaare raadiuse R. Teades magnetvälja B induktsiooni ja ioonide kiirust υ, valemi järgi

(1)

saab määrata ioonide erilaengu. Ja kui iooni laeng on teada, saab selle massi arvutada.

Massispektromeetria ajalugu algab J. J. Thomsoni fundamentaalsetest eksperimentidest 20. sajandi alguses. Lõpp "-meetria" meetodi nimes ilmus pärast laialdast üleminekut laetud osakeste tuvastamiselt fotoplaatide abil ioonvoolude elektrilistele mõõtmistele.

Massispektromeetriat kasutatakse eriti laialdaselt orgaaniliste ainete analüüsimisel, kuna see võimaldab usaldusväärselt tuvastada nii suhteliselt lihtsaid kui ka keerukaid molekule. Ainus üldine nõue on, et molekul peab olema ioniseeritav. Praeguseks on see aga olnud

proovi komponentide ioniseerimiseks on nii palju võimalusi, et massispektromeetriat võib pidada peaaegu universaalseks meetodiks.

3 MHD generaator

Magnetohüdrodünaamiline generaator, MHD generaator - elektrijaam, milles magnetväljas liikuva töövedeliku (vedel või gaasiline elektrit juhtiv keskkond) energia muudetakse otse elektrienergiaks.

MHD-generaatori, nagu ka tavalise masingeneraatori, tööpõhimõte põhineb elektromagnetilise induktsiooni nähtusel, st voolu tekkimisel magnetvälja jooni ületavas juhis. Erinevalt masinageneraatoritest on MHD-generaatori juhiks töövedelik ise.

Töötav keha liigub üle magnetvälja ja magnetvälja toimel tekivad vastupidise märgiga laengukandjate vastassuunalised vood.

Lorentzi jõud mõjub laetud osakesele.

MHD generaatori tööorganiks võivad olla järgmised kandjad:

Esimesed MHD generaatorid kasutasid töövedelikuna elektrit juhtivaid vedelikke (elektrolüüte). Praegu kasutatakse plasmat, milles laengukandjateks on peamiselt vabad elektronid ja positiivsed ioonid. Magnetvälja mõjul kalduvad laengukandjad kõrvale trajektoorist, mida mööda gaas välja puudumisel liiguks. Sellisel juhul võib tugevas magnetväljas tekkida Halli väli (vt Halli efekt) - elektriväli, mis tekib laetud osakeste kokkupõrgete ja nihkumiste tulemusena magnetväljaga risti asetsevas tasapinnas.

4 Cyclotron

Tsükotron on mitterelativistlike raskete laetud osakeste (prootonite, ioonide) resonantstsükliline kiirendi, milles osakesed liiguvad konstantses ja ühtlases magnetväljas ning nende kiirendamiseks kasutatakse konstantse sagedusega kõrgsageduslikku elektrivälja.

Tsüklotroni seadme skeem on näidatud joonisel 3. Rasked laetud osakesed (prootonid, ioonid) sisenevad kambrisse kambri keskkoha lähedal asuvast injektorist ja neid kiirendab fikseeritud sagedusega vahelduv väli, mis rakendatakse kiirenduselektroodidele (neid on kaks ja neid nimetatakse deeks). Osakesed laenguga Ze ja massiga m liiguvad konstantses magnetväljas tugevusega B, mis on suunatud osakeste liikumistasandiga risti, mööda lahtikerimise spiraali. Kiirusega v osakese trajektoori raadius R määratakse valemiga

Joonis 5. Tsüklotroni skeem: pealt- ja külgvaade: 1 - raskete laetud osakeste (prootonid, ioonid) allikas, 2 - kiirendatud osakese orbiit, 3 - kiirenduselektroodid (dees), 4 - kiirendusvälja generaator, 5 - elektromagnet. Nooled näitavad jõujooned magnetväli). Need on risti ülemise joonise tasapinnaga.

kus γ = -1/2 on relativistlik tegur.

Mitterelativistliku (γ ≈ 1) osakese tsüklotronis konstantses ja ühtlases magnetväljas on orbiidi raadius võrdeline kiirusega (1) ja mitterelativistliku osakese pöörlemissagedusega (tsüklotroni sagedus ei sõltu osakese energiat

(2)

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

Dee vahelises pilus kiirendatakse osakesi impulsi abil elektriväli(õõnesmetallist deeside sees elektriväli puudub). Selle tulemusena suureneb orbiidi energia ja raadius. Korrates igal pöördel kiirendust elektrivälja võrra, viiakse orbiidi energia ja raadius maksimaalsete lubatud väärtusteni. Sel juhul omandavad osakesed kiiruse v = ZeBR/m ja sellele vastava energia:

Heeliksi viimasel pöördel lülitub sisse kõrvalesuunav elektriväli, mis toob kiire välja. Magnetvälja püsivus ja kiirendusvälja sagedus võimaldavad pidevat kiirendust. Kui mõned osakesed liiguvad mööda spiraali välimisi pöördeid, siis teised on tee keskel ja kolmandad alles hakkavad liikuma.

Tsüklotroni puuduseks on piiratus sisuliselt mitterelativistlike osakeste energiatega, kuna isegi mitte väga suured relativistlikud parandused (γ kõrvalekalded ühtsusest) rikuvad erinevatel pööretel kiirenduse sünkroonsust ja oluliselt suurenenud energiaga osakestel pole enam aega olla. dee vahelises vahes kiirenduseks vajaliku elektrivälja faasis . Tavalistes tsüklotronites saab prootoneid kiirendada kuni 20-25 MeV.

Raskete osakeste kiirendamiseks lahtikerimise spiraali režiimis kümneid kordi suuremate energiateni (kuni 1000 MeV) kasutatakse tsüklotroni modifikatsiooni nn. isokroonne(relativistlik) tsüklotron, samuti fasotron. Isokroonsetes tsüklotronites kompenseeritakse relativistlikud efektid magnetvälja radiaalse suurenemisega.

Järeldus

Peidetud tekst

Kirjalik järeldus (kõige elementaarsem esimese jaotise kõigi lõikude jaoks - tööpõhimõtted, määratlused)

Kasutatud kirjanduse loetelu

Wikipedia [Elektrooniline ressurss]: Lorentzi jõud. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Lorenz_force

Wikipedia [Elektrooniline ressurss]: Magnetohüdrodünaamiline generaator. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Magnetohydrodynamic_generator

Wikipedia [Elektrooniline ressurss]: elektronkiire seadmed. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/electron-beam_devices

Wikipedia [Elektrooniline ressurss]: Massispektromeetria. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Massispektromeetria

Tuumafüüsika Internetis [Elektrooniline ressurss]: Cyclotron. URL: http://nuclphys.sinp.msu.ru/experiment/accelerators/ciclotron.htm

Elektrooniline füüsikaõpik [Elektrooniline ressurss]: T. Lorentzi jõu rakendused //URL: http://www.physbook.ru/index.php/ T._Application_of_Lorentz_force

Akadeemik [Elektrooniline ressurss]: Magnetohüdrodünaamiline generaator //URL: http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/MAGNETOHYDRODYNAMIC

Teaduse jaoks on saadud teadmised suure väärtusega, mis võivad hiljem leida oma praktiline kasutamine. Uued avastused mitte ainult ei laienda uurimishorisonte, vaid tõstatavad ka uusi küsimusi ja probleeme.

Toome välja peamised Ampere'i avastused elektromagnetismi valdkonnas:

1. Juhtide koosmõju vooluga

Kaks paralleelset vooluga juhti tõmbuvad teineteise poole, kui neis olevad voolud on ühesuunalised ja tõukuvad, kui voolud neis on vastassuunalised.

Ampère'i seadus loeb:

Kahe paralleelse juhtme vastastikmõju jõud on võrdeline juhtides olevate voolude korrutisega, võrdeline nende juhtide pikkusega ja pöördvõrdeline nendevahelise kaugusega.

F on kahe paralleelse juhi vastastikmõju jõud,

I1, I2 on voolud juhtides,

∆ℓ on juhtmete pikkus,

r on juhtmete vaheline kaugus.

Selle seaduse avastamine võimaldas mõõtühikutesse sisestada voolutugevuse suuruse, mida kuni selle ajani ei eksisteerinud. Seega, kui lähtuda voolutugevuse määratlusest läbi juhi ristlõike ajaühikus ülekantud laengu hulga suhte, saame põhimõtteliselt mittemõõdetava väärtuse, nimelt läbi juhi ristlõike ülekantud laengu koguse. juhi ristlõige. Selle määratluse põhjal ei saa me voolutugevuse ühikut kasutusele võtta. Ampère'i seadus võimaldab teil luua seose juhtmete voolutugevuste suuruste ja empiiriliselt mõõdetavate suuruste vahel: mehaaniline jõud ja kaugus. Seega oli võimalik võtta arvesse voolutugevuse ühikut - 1 A (1 amper).

Üheamprine vool - see on selline vool, mille juures kaks homogeenset paralleelset juhti, mis asuvad vaakumis üksteisest ühe meetri kaugusel, interakteeruvad jõuga 2∙10-7 njuutonit.

Voolude vastastikmõju seadus - kaks vaakumis paiknevat paralleelset juhti, mille läbimõõt on palju väiksem kui nendevahelised kaugused, toimivad koos jõuga, mis on otseselt proportsionaalne nende juhtmete voolude korrutisega ja pöördvõrdeline nendevahelise kaugusega.

2. Magnetvälja toime seadus vooluga juhile

Magnetvälja toime seadus vooluga juhile väljendub ennekõike magnetvälja mõjus vooluga mähisele või ahelale. Niisiis mõjutab voolu juhtivat mähist magnetväljas jõumoment, mis kipub seda mähist niimoodi pöörama, et selle tasapind muutub magnetvälja joontega risti. Mähise pöördenurk on otseselt võrdeline mähises oleva voolu suurusega. Kui väline magnetväli mähises on konstantne, siis on ka magnetinduktsiooni mooduli väärtus konstantne väärtus. Pöörde pindala mitte väga suurte voolude korral võib samuti pidada konstantseks, seega on see tõsi voolutugevus on võrdne nende jõudude momendi korrutisega, mis pööravad mähist vooluga mingi konstantse väärtuse muutumatutel tingimustel.

I - praegune tugevus,

M on mähist vooluga pööravate jõudude hetk.

Seetõttu on võimalik mõõta voolutugevust raami pöördenurga järgi, mis on rakendatud mõõteseadmes - ampermeetris (joonis 1).

Pärast magnetvälja mõju avastamist voolu juhtivale juhile mõistis Ampère, et seda avastust saab kasutada juhi liikuma panemiseks magnetväljas. Nii et magnetismi saab muuta mehaaniline liikumine- luua mootor. Üks esimesi, mis töötas alalisvoolul, oli elektrimootor (joon. 2), mille lõi 1834. aastal vene elektriinsener B. S. Jacobi.

Mõelge mootori lihtsustatud mudelile, mis koosneb fikseeritud osast, mille külge on kinnitatud magnetid - staator. Staatori sees saab juhtivast materjalist raam, mida nimetatakse rootoriks, vabalt pöörlema. Selleks, et elektrivool läbiks raami, ühendatakse see klemmidega liugkontaktide abil. Kui ühendate mootori allikaga alalisvool voltmeetriga ahelasse, siis kui ahel on suletud, hakkab vooluga raam pöörlema.

1269. aastal kirjutas prantsuse loodusteadlane Pierre Marie Court teose pealkirjaga "Kiri magnetil". Pierre Marie Couri peamine eesmärk oli luua igiliikur, milles ta kavatses kasutada hämmastavad omadused magnetid. Kui edukad tema katsed olid, pole teada, kuid kindel on see, et Jacobi kasutas paadi liikuma panemiseks oma elektrimootorit, samal ajal kui tal õnnestus see hajutada kiiruseni 4,5 km/h.

Tuleb mainida veel üht seadet, mis töötab Ampère’i seaduste alusel. Ampere näitas, et voolu kandev mähis käitub nagu püsimagnet, mis tähendab, et on võimalik ehitada elektromagnet- seade, mille võimsust saab reguleerida.

Just Ampere tuli välja ideega, et juhtide ja magnetnõelte kombinatsiooniga saab luua seadme, mis edastab infot kaugelt. Telegraafi idee tekkis esimestel kuudel pärast elektromagnetismi avastamist. Elektromagnetiline telegraaf sai aga laialt levinud pärast seda, kui Samuel Morse lõi mugavama aparaadi ja, mis kõige tähtsam, töötas välja punktidest ja kriipsudest koosneva kahendtähestiku, mida nimetatakse "Morse koodiks" (joonis 3).

Matemaatik Gauss tegi Ampere'i uurimistööga tutvudes ettepaneku luua originaalne relv (joonis 4), mis töötaks raudkuulile magnetvälja mõju põhimõttel – mürsk.

On vaja pöörata tähelepanu ajaloolisele ajastule, mil need avastused tehti. 19. sajandi esimesel poolel edenes Euroopa tööstusrevolutsiooni teel hüppeliselt edasi. viljakas aeg teadusuuringute avastuste ja nende kiire rakendamise eest praktikas. Ampere andis sellesse protsessi kahtlemata olulise panuse, andes tsivilisatsioonile elektromagnetid, elektrimootorid ja telegraafi, mida kasutatakse siiani laialdaselt.

Toome välja Lorentzi peamised avastused.

Lorentz leidis, et magnetväli mõjutab selles liikuvat osakest, sundides seda liikuma mööda ringikaare:

Kuna Lorentzi jõud on tsentripetaalne jõud, mis on risti kiiruse suunaga. Esiteks võimaldab Lorentzi avastatud seadus määrata sellise olulise tunnuse nagu laengu ja massi suhe - konkreetne tasu.

Spetsiifilise laengu väärtus on iga laetud osakese unikaalne väärtus, mis võimaldab neid tuvastada, olgu selleks elektron, prooton või mõni muu osake. Nii said teadlased uurimistööks võimsa tööriista. Näiteks Rutherford sai analüüsida radioaktiivne kiirgus ja tuvastas selle komponendid, mille hulgas on alfaosakesed - heeliumi aatomi tuumad ja beetaosakesed - elektronid. Kahekümnendal sajandil ilmusid kiirendid, mille töö põhineb sellel, et laetud osakesi kiirendatakse magnetväljas. Sellel põhimõttel põhineb suur hadronite põrkur. Tänu Lorentzi avastustele sai teadus põhjapanevalt uus tööriist füüsikaliste uuringute jaoks, avades tee elementaarosakeste maailma.

Iseloomustamaks teadlase mõju tehnoloogia arengule, tuletagem meelde, et Lorentzi jõu avaldisest on võimalik arvutada konstantses magnetväljas liikuva osakese trajektoori kõverusraadius. Muutmata kujul välised tingimused see raadius sõltub osakese massist, kiirusest ja laengust. Seega saame võimaluse klassifitseerida laetud osakesi nende parameetrite järgi ja seetõttu saame analüüsida mis tahes segu. Kui gaasilises olekus ainete segu ioniseerida, hajutada ja magnetvälja suunata, hakkavad osakesed liikuma mööda erineva raadiusega ringikaare - osakesed lahkuvad väljast erinevad punktid ning jääb üle vaid need lähtepunktid fikseerida, mis realiseeritakse fosforiga kaetud ekraani abil, mis laetud osakeste tabamisel helendab. See toimib täpselt nii massianalüsaator. Massianalüsaatoreid kasutatakse laialdaselt füüsikas ja keemias segude koostise analüüsimiseks.

Need ei ole kõik tehnilised seadmed, mis töötavad Ampere'i ja Lorentzi arengute ja avastuste põhjal, sest teaduslikud teadmised lakkavad varem või hiljem olemast teadlaste ainuomand ja muutuvad tsivilisatsiooni omandiks, samas kui need kehastuvad erinevatesse tehnilised seadmed mis muudavad meie elu mugavamaks.

Võimendi võimsus, mis toimib juhi segmendile pikkusega Δ l vooluga I asub magnetväljas B,

Ampere jõu avaldise saab kirjutada järgmiselt:

Seda jõudu nimetatakse Lorentzi jõud . Nurk α selles avaldises võrdne nurgaga kiiruse ja vahel magnetinduktsiooni vektor Positiivselt laetud osakesele mõjuva Lorentzi jõu suuna, aga ka Ampère'i jõu suuna saab leida siit vasaku käe reegel või poolt kere reegel. Vastastikune korraldus vektorid ja positiivselt laetud osakese jaoks on näidatud joonisel fig. 1.18.1.

Joonis 1.18.1. Vektorite ja Lorentzi jõumooduli vastastikune paigutus on arvuliselt võrdne rööpküliku pindala, mis on ehitatud vektoritele ja korrutatud laenguga q

Lorentzi jõud on suunatud risti vektoritega ja

Kui laetud osake liigub magnetväljas, siis Lorentzi jõud ei tööta. Seetõttu osakese liikumisel kiirusvektori moodul ei muutu.

Kui laetud osake liigub Lorentzi jõu mõjul ühtlases magnetväljas ja selle kiirus on vektoriga risti asetseval tasapinnal, liigub osake mööda raadiusega ringi

Osakese pöördeperiood ühtlases magnetväljas on

helistas tsüklotroni sagedus . Tsüklotroni sagedus ei sõltu osakese kiirusest (ja seega ka kineetilisest energiast). Seda fakti kasutatakse tsüklotronid – raskete osakeste (prootonid, ioonid) kiirendajad. elektriskeem tsüklotron on näidatud joonisel fig. 1.18.3.

Tugeva elektromagneti pooluste vahele asetatakse vaakumkamber, milles on kaks elektroodi õõnsate metallist poolsilindrite kujul ( dees ). Deesidele on lisatud muutuja elektriline pinge, mille sagedus on võrdne tsüklotroni sagedusega. Laetud osakesed süstitakse keskele vaakumkamber. Osakesi kiirendab deeside vahelises pilus tekkiv elektriväli. Deeside sees liiguvad osakesed Lorentzi jõu toimel mööda poolringe, mille raadius suureneb osakeste energia kasvades. Iga kord, kui osake läbib deeside vahelist pilu, kiirendab seda elektriväli. Seega kiirendab tsüklotronis, nagu ka kõigis teistes kiirendites, laetud osakest elektriväli ja magnetväli hoiab seda trajektooril. Tsüklotronid võimaldavad kiirendada prootoneid energiani, mis on suurusjärgus 20 MeV.

Ühtseid magnetvälju kasutatakse paljudes seadmetes ja eriti nendes massispektromeetrid - seadmed, millega saab mõõta laetud osakeste - erinevate aatomite ioonide või tuumade - masse. Eraldamiseks kasutatakse massispektromeetriid isotoobid st ühesuguse laenguga, kuid erineva massiga aatomite tuumad (näiteks 20 Ne ja 22 Ne). Lihtsaim massispektromeeter on näidatud joonisel fig. 1.18.4. Allikast eralduvad ioonid S, läbivad mitu väikest auku, mis moodustavad kitsa tala. Siis nad sisenevad kiiruse valija , milles osakesed liiguvad sisse ületasid ühtlased elektri- ja magnetväljad. Elektriväli tekib lamekondensaatori plaatide vahele, magnetväli on elektromagneti pooluste vahes. Laetud osakeste algkiirus on suunatud vektoritega risti ja

Risttuvates elektri- ja magnetväljades liikuvat osakest mõjutavad elektriline jõud ja Lorentzi magnetjõud. Tingimusel E = υ B need jõud tasakaalustavad üksteist täpselt. Kui see tingimus on täidetud, liigub osake ühtlaselt ja sirgjooneliselt ning läbi kondensaatori lennanud läbib ekraani ava. Kell sättepunktid elektri- ja magnetväljade korral valib selektor osakesed, mis liiguvad kiirusega υ = E / B.

Järgmisena sisenevad sama kiirusega osakesed massispektromeetri kambrisse, milles tekib ühtlane magnetväli Osakesed liiguvad kambris Lorentzi jõu toimel magnetväljaga risti olevas tasapinnas. Osakeste trajektoorid on raadiusega ringid R = mυ / qB". Mõõtes trajektooride raadiusi teadaolevate väärtuste υ ja B" suhet saab määratleda q / m. Isotoopide puhul ( q 1 = q 2) massispektromeeter võimaldab eraldada erineva massiga osakesi.

Kaasaegsed massispektromeetrid võimaldavad mõõta laetud osakeste masse täpsusega, mis on parem kui 10–4.

Kui osakese kiirusel on komponent piki magnetvälja suunda, siis selline osake liigub ühtlases magnetväljas spiraalselt. Sel juhul spiraali raadius R sõltub magnetväljaga risti oleva vektori komponendi υ ┴ moodulist ja spiraali sammust lk– pikikomponendi moodulil υ || (joonis 1.18.5).

Seega keerleb laetud osakese trajektoor justkui ümber magnetinduktsiooni joonte. Seda nähtust kasutatakse tehnoloogias kõrgtemperatuurse plasma magnetiline soojusisolatsioon st täielikult ioniseeritud gaas, mille temperatuur on umbes 10 6 K. Sellises olekus aine saadakse "Tokamak" tüüpi seadmetes kontrollitud termotuumareaktsioonide uurimisel. Plasma ei tohi kokku puutuda kambri seintega. Soojusisolatsioon saavutatakse spetsiaalse konfiguratsiooniga magnetvälja loomisega. Näiteks joonisel fig. 1.18.6 näitab laetud osakese trajektoori sisse magnetiline pudel(või lõksus ).

Sarnane nähtus esineb Maa magnetväljas, mis kaitseb kõiki elusolendeid laetud osakeste voogude eest. avakosmos. Kiirelt laetud osakesed kosmosest (peamiselt Päikeselt) "püüab kinni" Maa magnetvälja ja moodustavad nn. kiirgusvööd (Joonis 1.18.7), kus osakesed liiguvad nagu magnetlõksudeski sekundi murdosa suurusjärgus aegadel edasi-tagasi mööda spiraalset trajektoori põhja- ja lõunapooluse vahel. Ainult polaaraladel tungivad osa osakesi atmosfääri ülemisse ossa, põhjustades aurorasid. Maa kiirgusvööd ulatuvad suurusjärgus 500 km kauguselt kümnete Maa raadiusteni. Tuleb meeles pidada, et Maa lõuna magnetpoolus asub geograafilise põhjapooluse lähedal (Gröönimaa loodeosas). Maa magnetismi olemust pole veel uuritud.

testi küsimused

1. Kirjeldage Oerstedi ja Ampère'i katseid.

2. Mis on magnetvälja allikas?

3. Millega seletab Ampère’i hüpotees püsimagneti magnetvälja olemasolu?

4. Mis on põhimõtteline erinevus magnetvälja ja elektrivälja vahel?

5. Sõnasta magnetinduktsiooni vektori definitsioon.

6. Miks nimetatakse magnetvälja pööriseks?

7. Sõnastage seadused:

A) Amper;

B) Bio-Savart-Laplace.

8. Mis on alalisvooluvälja magnetinduktsiooni vektori absoluutväärtus?

9. Sõnasta voolutugevuse ühiku (ampri) määratlus rahvusvahelises mõõtühikute süsteemis.

10. Kirjutage üles väärtust väljendavad valemid:

A) magnetinduktsiooni vektori moodul;

B) Ampere jõud;

B) Lorentzi jõud;

D) osakese pöördeperiood ühtlases magnetväljas;

E) ringi kõverusraadius, kui laetud osake liigub magnetväljas;

Enesekontrolli test

Mida Oerstedi katses täheldati?

1) Kahe paralleelse juhtme koostoime vooluga.

2) Kahe magnetnõela vastastikmõju

3) Magnetnõela pöörlemine juhi lähedal, kui seda läbib vool.

4) Tekkimine elektrivool mähises pnri magneti sisse lükates.

Kuidas interakteeruvad kaks paralleelset juhti, kui voolud läbivad neid samas suunas?

on meelitatud;

tõrjuma;

Jõud ja jõudude moment on võrdsed nulliga.

Jõud on null, kuid pöördemoment ei ole null.

Milline valem määrab amprijõu mooduli avaldise?

Milline valem määrab Lorentzi jõumooduli avaldise?

B)

AT)

G)

0,6 N; 2) 1 N; 3) 1,4 N; 4) 2,4 N.

1) 0,5 T; 2) 1 T; 3) 2 T; 4) 0,8 T .

Elektron kiirusega V lendab magnetvälja, mille induktsioonimoodul B on risti magnetjoontega. Milline avaldis vastab elektroni orbiidi raadiusele?

Vastus: 1)
2)

4)

8. Kuidas muutub laetud osakese pöördeperiood tsüklotronis, kui selle kiirus suureneb 2 korda? (V<< c).

1) suureneb 2 korda; 2) suureneb 2 korda;

3) Suurendada 16 korda; 4) Ei muutu.

9. Milline valem määrab ringiraadiusega R ringikujulise voolu keskel tekkiva magnetvälja induktsioonimooduli?

1)
2)
3)
4)

10. Voolu poolis on I. Milline valemitest määrab magnetvälja induktsiooni mooduli pikkusega mähise keskel l pöörete arvuga N ?

1)
2)
3)
4)

Labori nr.

Maa magnetvälja induktsiooni horisontaalkomponendi määramine.

Lühiteooria laboritöödeks.

Magnetväli on materiaalne keskkond, mis edastab nn magnetilisi vastastikmõjusid. Magnetväli on üks elektromagnetvälja ilmingutest.

Magnetväljade allikad on liikuvad elektrilaengud, voolu juhtivad juhid ja vahelduvad elektriväljad. Liikuvate laengute (voolude) tekitatud magnetväli toimib omakorda ainult liikuvatele laengutele (vooludele), samas kui statsionaarsetele laengutele see mõju ei avalda.

Magnetvälja peamine omadus on magnetilise induktsiooni vektor :

Magnetilise induktsiooni vektori moodul on arvuliselt võrdne maksimaalse jõuga, mis mõjub magnetvälja küljelt ühikupikkusele juhile, mida läbib ühikulise tugevusega vool. Vektor moodustab jõuvektori ja voolu suunaga parempoolse kolmiku. Seega on magnetinduktsioon magnetvälja võimsuskarakteristik.

Magnetinduktsiooni SI ühik on Tesla (T).

Magnetvälja jõujooni nimetatakse kujuteldavateks joonteks, mille igas punktis langevad puutujad kokku magnetinduktsiooni vektori suunaga. Magnetvälja jooned on alati suletud, ei ristu kunagi.

Ampère'i seadus määrab magnetvälja jõu mõju voolu juhtivale juhile.

Kui induktsiooniga magnetväljas asetatud voolu juhtiv juht, seejärel igale voolusuunalisele elemendile dirigent, mõjub Ampere jõud, mille määrab seos

.

Ampère'i jõu suund langeb kokku ristkorrutise suunaga
, need. see on risti tasapinnaga, millel vektorid asuvad ja (Joonis 1).

Riis. 1. Ampère'i jõu suuna määramiseks

Kui a risti , siis saab amprijõu suuna määrata vasaku käe reegliga: suunata neli väljasirutatud sõrme piki voolu, asetada peopesa jõujoontega risti, siis näitab pöial amprijõu suunda. Ampère’i seadus on magnetinduktsiooni definitsiooni aluseks, s.o. seos (1) tuleneb skalaarkujul kirjutatud valemist (2).

Lorentzi jõud on jõud, millega elektromagnetväli mõjutab selles väljas liikuvat laetud osakest. Lorentzi jõuvalemi sai esmakordselt G. Lorentz kogemuse üldistamise tulemusena ja sellel on vorm:

.

kus
on jõud, mis mõjub laetud osakesele elektriväljas intensiivsusega ;
– magnetväljas laetud osakesele mõjuv jõud.

Lorentzi jõu magnetkomponendi valemi võib saada Ampere'i seadusest, arvestades, et vool on elektrilaengute korrapärane liikumine. Kui magnetväli ei mõjutaks liikuvaid laenguid, ei avaldaks see mõju voolu juhtivale juhile. Lorentzi jõu magnetkomponent saadakse järgmiselt:

.

See jõud on suunatud risti tasapinnaga, millel asuvad kiirusvektorid ja magnetvälja induktsioon ; selle suund langeb kokku vektorkorrutise suunaga
jaoks q > 0 ja suunaga
jaoks q>0 (Joonis 2).

Riis. 2. Määrata Lorentzi jõu magnetkomponendi suund

Kui vektor vektoriga risti , siis saab Lorentzi jõu magnetkomponendi suuna positiivselt laetud osakeste puhul leida vasaku käe reegliga ja negatiivselt laetud osakeste puhul reegliga parem käsi. Kuna Lorentzi jõu magnetkomponent on alati suunatud kiirusega risti , siis ei tee see osakese liigutamiseks tööd. See saab muuta ainult kiiruse suunda , painutada osakese trajektoori, s.o. toimivad tsentripetaalse jõuna.

Magnetväljade arvutamiseks kasutatakse Biot-Savart-Laplace'i seadust (definitsioonid ) loodud vooluga juhtide poolt.

Biot-Savart-Laplace'i seaduse järgi juhi iga voolusuunaline element loob kaugel asuvas punktis sellest elemendist magnetväli, mille induktsiooni määrab seos:

.

kus
H/m on magnetkonstant; µ on kandja magnetiline läbilaskvus.

Riis. 3. Biot-Savart-Laplace'i seadusele

Suund
langeb kokku vektori korrutise suunaga
, st.
risti tasapinnaga, millel vektorid asuvad ja . Samaaegselt
on väljajoone puutuja, mille suuna saab määrata kardaani reegliga: kui kardaani otsa translatsiooniline liikumine on suunatud piki voolu, siis määrab käepideme pöörlemissuund magnetvälja joon (joonis 3).

Kogu juhi loodud magnetvälja leidmiseks peate rakendama väljade superpositsiooni põhimõtet:

.

Näiteks arvutame magnetilise induktsiooni ringvoolu keskpunktis (joonis 4).

Riis. 4. Ringvoolu keskpunktis oleva välja arvutamisele

Ringvoolu jaoks
ja
, seega on relatsioonil (5) skalaarkujul vorm:

Täisvoolu seadus (magnetinduktsiooni tsirkulatsiooni teoreem) on teine ​​​​magnetväljade arvutamise seadus.

Vaakumi magnetvälja koguvooluseadus on järgmine:

.

kus B l – projektsioon juhielemendil juhib vool.

Magnetilise induktsiooni vektori tsirkulatsioon piki mis tahes suletud ahelat võrdub magnetkonstandi ja selle ahelaga hõlmatud voolude algebralise summa korrutisega.

Ostrogradsky-Gaussi teoreem magnetvälja kohta on järgmine:

.

kus B n – vektorprojektsioon normaalseks saidile dS.

Magnetilise induktsiooni vektori voog läbi suvalise suletud pinna on võrdne nulliga.

Magnetvälja olemus tuleneb valemitest (9), (10).

Elektrivälja potentsiaalsuse tingimus on intensiivsuse vektori tsirkulatsiooni võrdsus nulliga
.

Potentsiaalne elektriväli tekib liikumatute elektrilaengute poolt; väljajooned ei ole suletud, need algavad positiivsetel laengutel ja lõpevad negatiivsetel.

Valemist (9) näeme, et magnetväljas on magnetilise induktsiooni vektori tsirkulatsioon nullist erinev, seega ei ole magnetväli potentsiaalne.

Seosest (10) järeldub, et potentsiaalseid magnetvälju tekitavaid magnetlaenguid ei ole. (Elektrostaatikas hõõgub sarnane teoreem vormi
.

Magnetilised jõujooned sulguvad ise. Sellist välja nimetatakse keeriseväljaks. Seega on magnetväli keerisväli. Väljajoonte suund määratakse gimleti reegliga. Sirgjoonelises lõpmata pikas vooluga juhis on jõujooned juhti katvate kontsentriliste ringidena (joonis 3).

Amperjõud, mis mõjub juhitükile pikkusega Δ l vooluga I asub magnetväljas B,

Ampere jõu avaldise saab kirjutada järgmiselt:

Seda jõudu nimetatakse Lorentzi jõud . Nurk α selles avaldises on võrdne kiiruse ja magnetilise induktsiooni vektori vahelise nurgaga. Positiivselt laetud osakesele mõjuva Lorentzi jõu suuna, aga ka Ampère’i jõu suuna saab leida vasaku käe reegli või gimleti reegli abil. Positiivselt laetud osakese ja vektorite vastastikune paigutus on näidatud joonisel fig. 1.18.1.

Lorentzi jõud on suunatud risti vektoritega ja

Kui laetud osake liigub magnetväljas, siis Lorentzi jõud ei tööta. Seetõttu osakese liikumisel kiirusvektori moodul ei muutu.

Kui laetud osake liigub Lorentzi jõu mõjul ühtlases magnetväljas ja selle kiirus on vektoriga risti asetseval tasapinnal, liigub osake mööda raadiusega ringi

Lorentzi jõud mängib sel juhul tsentripetaalse jõu rolli (joonis 1.18.2).

Osakese pöördeperiood ühtlases magnetväljas on

See avaldis näitab, et antud massiga laetud osakeste puhul m pöördeperiood ei sõltu kiirusest υ ja trajektoori raadiusest R.

Laetud osakese liikumise nurkkiirus mööda ringtrajektoori

helistas tsüklotroni sagedus . Tsüklotroni sagedus ei sõltu osakese kiirusest (ja seega ka kineetilisest energiast). Seda fakti kasutatakse tsüklotronid - raskete osakeste (prootonid, ioonid) kiirendajad. Tsüklotroni skemaatiline diagramm on näidatud joonisel fig. 1.18.3.

Tugeva elektromagneti pooluste vahele asetatakse vaakumkamber, milles on kaks elektroodi õõnsate metallist poolsilindrite kujul ( dees ). Deesidele rakendatakse vahelduv elektripinge, mille sagedus on võrdne tsüklotroni sagedusega. Laetud osakesed süstitakse vaakumkambri keskele. Osakesi kiirendab deeside vahelises pilus tekkiv elektriväli. Deeside sees liiguvad osakesed Lorentzi jõu toimel mööda poolringe, mille raadius suureneb osakeste energia kasvades. Iga kord, kui osake läbib deeside vahelist pilu, kiirendab seda elektriväli. Seega kiirendab tsüklotronis, nagu ka kõigis teistes kiirendites, laetud osakest elektriväli ja magnetväli hoiab seda trajektooril. Tsüklotronid võimaldavad kiirendada prootoneid energiani, mis on suurusjärgus 20 MeV.

Ühtseid magnetvälju kasutatakse paljudes seadmetes ja eriti nendes massispektromeetrid - seadmed, millega saab mõõta erinevate aatomite laetud osakeste - ioonide või tuumade massi. Massispektromeetritega eraldatakse isotoobid ehk sama laenguga, kuid erineva massiga (näiteks 20 Ne ja 22 Ne) aatomite tuumad. Lihtsaim massispektromeeter on näidatud joonisel fig. 1.18.4. Allikast eralduvad ioonid S, läbivad mitu väikest auku, mis moodustavad kitsa tala. Siis nad sisenevad kiiruse valija , milles osakesed liiguvad sisse ületasid ühtlased elektri- ja magnetväljad. Lamekondensaatori plaatide vahele tekib elektriväli, elektromagneti pooluste vahesse tekib magnetväli. Laetud osakeste algkiirus on suunatud vektoritega risti ja

Risttuvates elektri- ja magnetväljades liikuvat osakest mõjutavad elektrijõud ja Lorentzi magnetjõud. Tingimusel E = υ B need jõud tasakaalustavad üksteist täpselt. Kui see tingimus on täidetud, liigub osake ühtlaselt ja sirgjooneliselt ning läbi kondensaatori lennanud läbib ekraani ava. Elektri- ja magnetvälja antud väärtuste korral valib valija osakesed, mis liiguvad kiirusega υ = E / B.

Järgmisena sisenevad sama kiirusväärtusega osakesed massispektromeetri kambrisse, milles tekib ühtlane magnetväli. Osakesed liiguvad kambris Lorentzi jõu mõjul magnetväljaga risti olevas tasapinnas. Osakeste trajektoorid on raadiusega ringid R = mυ / qB". Mõõtes trajektooride raadiusi juures teadaolevad väärtusedυ ja B" suhet saab määratleda q / m. Isotoopide puhul ( q 1 = q 2) massispektromeeter võimaldab eraldada erineva massiga osakesi.

Kaasaegsed massispektromeetrid võimaldavad mõõta laetud osakeste masse täpsusega, mis on parem kui 10 -4 .

Kui osakese kiirusel on komponent piki magnetvälja suunda, siis selline osake liigub ühtlases magnetväljas spiraalselt. Sel juhul spiraali raadius R sõltub vektori magnetväljaga + risti oleva komponendi υ moodulist ja spiraali sammust lk- pikikomponendi moodulist υ || (joonis 1.18.5).

Seega keerleb laetud osakese trajektoor justkui ümber magnetinduktsiooni joonte. Seda nähtust kasutatakse tehnoloogias kõrgtemperatuurse plasma magnetiline soojusisolatsioon st täielikult ioniseeritud gaas, mille temperatuur on umbes 10 6 K. Sellises olekus aine saadakse "Tokamak" tüüpi seadmetes kontrollitud termotuumareaktsioonide uurimisel. Plasma ei tohi kokku puutuda kambri seintega. Soojusisolatsioon saavutatakse spetsiaalse konfiguratsiooniga magnetvälja loomisega. Näiteks joonisel fig. 1.18.6 näitab laetud osakese trajektoori sisse magnetiline pudel(või lõksus ).

Sarnane nähtus esineb ka Maa magnetväljas, mis on kaitseks kõigile elusolenditele avakosmosest tulevate laetud osakeste voogude eest. Kiirelt laetud osakesed kosmosest (peamiselt Päikeselt) "püüab kinni" Maa magnetvälja ja moodustavad nn. kiirgusvööd (Joonis 1.18.7), kus osakesed liiguvad nagu magnetlõksudeski sekundi murdosa suurusjärgus aegadel edasi-tagasi mööda spiraalset trajektoori põhja- ja lõunapooluse vahel. Ainult polaaraladel tungivad osa osakesi atmosfääri ülemisse ossa, põhjustades aurorasid. Maa kiirgusvööd ulatuvad suurusjärgus 500 km kauguselt kümnete Maa raadiusteni. Tuleb meeles pidada, et Maa põhjamagnetpoolus asub praegu põhjageograafilise pooluse lähedal ja liigub järk-järgult. Maa magnetismi olemust pole veel uuritud.

Miks üksi teadlaste ajalugu kirjutab oma lehtedele kuldsete tähtedega ja mõne kustutab jälgi jätmata? Igaüks, kes tuleb teadusesse, on kohustatud jätma sellesse oma jälje. Ajalugu hindab selle jälje ulatuse ja sügavuse järgi. Seega andsid Ampere ja Lorentz hindamatu panuse füüsika arengusse, mis võimaldas mitte ainult arendada teaduslikud teooriad, kuid sai märkimisväärse praktiline väärtus. Kuidas telegraaf tekkis? Mis on elektromagnetid? Kõik need küsimused saavad vastuse tänases õppetükis.

Teaduse jaoks on omandatud teadmised suure väärtusega, mis võivad hiljem oma praktilise rakenduse leida. Uued avastused mitte ainult ei laienda uurimishorisonte, vaid tõstatavad ka uusi küsimusi ja probleeme.

Toome välja peamised Ampere'i avastused elektromagnetismi vallas.

Esiteks on see juhtide koostoime vooluga. Kaks paralleelset voolujuhti tõmbuvad teineteise poole, kui neis olevad voolud on ühiselt suunatud, ja tõrjuvad, kui voolud neis on vastassuunalised (joonis 1).

Riis. 1. Vooluga juhid

Ampère'i seadus loeb:

Kahe paralleelse juhtme vastastikmõju jõud on võrdeline juhtides olevate voolude korrutisega, võrdeline nende juhtide pikkusega ja pöördvõrdeline nendevahelise kaugusega.

Kahe paralleelse juhi vastastikmõju jõud,

voolude suurus juhtides,

- juhtmete pikkus,

juhtmete vaheline kaugus,

Magnetkonstant.

Selle seaduse avastamine võimaldas mõõtühikutesse sisestada voolutugevuse suuruse, mida kuni selle ajani ei eksisteerinud. Seega, kui lähtuda voolutugevuse määratlusest läbi juhi ristlõike ajaühikus ülekantud laengu hulga suhte, saame põhimõtteliselt mõõdetava väärtuse, nimelt läbi ristlõike kantud laengu koguse. dirigendist. Selle määratluse põhjal ei saa me voolutugevuse ühikut kasutusele võtta. Ampère'i seadus võimaldab teil luua seose juhtide voolutugevuste suuruste ja empiiriliselt mõõdetavate suuruste vahel: mehaaniline jõud ja kaugus. Seega oli võimalik võtta arvesse voolutugevuse ühikut - 1 A (1 amper).

Üheamprine vool - see on selline vool, mille juures kaks homogeenset paralleelset juhti, mis asuvad vaakumis üksteisest ühe meetri kaugusel, interakteeruvad Newtoni jõuga.

Voolude vastastikmõju seadus - kaks paralleelset vaakumis asuvat juhti, mille läbimõõt on palju väiksem kui nendevahelised kaugused, interakteeruvad jõuga, mis on otseselt võrdeline nendes juhtmetes olevate voolude korrutisega ja pöördvõrdeline nendevahelise kaugusega.

Veel üks Ampère'i avastus on magnetvälja mõju seadus voolu juhtivale juhile. See väljendub peamiselt vooluga mähise või ahela magnetvälja mõjus. Niisiis mõjutab voolu juhtivat mähist magnetväljas jõumoment, mis kipub seda mähist niimoodi pöörama, et selle tasapind muutub magnetvälja joontega risti. Mähise pöördenurk on otseselt võrdeline mähises oleva voolu suurusega. Kui väline magnetväli mähises on konstantne, siis on ka magnetinduktsiooni mooduli väärtus konstantne väärtus. Mähise pindala mitte väga suurte voolude korral võib samuti pidada konstantseks, seetõttu on tõsi, et voolutugevus on võrdne nende jõudude momendi korrutisega, mis pööravad mähist vooluga muutumatutes tingimustes mingi konstantse väärtuse võrra. .

- voolutugevus,

- jõudude moment, mis keeravad mähist vooluga.

Sellest tulenevalt on võimalik mõõta voolutugevust raami pöördenurga järgi, mis on rakendatud mõõteseadmes - ampermeetris (joonis 2).

Riis. 2. Ampermeeter

Pärast magnetvälja toime avastamist voolu juhtivale juhile mõistis Ampère, et seda avastust saab kasutada juhi liikuma panemiseks magnetväljas. Niisiis saab magnetismi muuta mehaaniliseks liikumiseks - mootori loomiseks. Üks esimesi, mis töötas alalisvoolul, oli elektrimootor (joon. 3), mille lõi 1834. aastal Vene elektriinsener B.S. Jacobi.

Riis. 3. Mootor

Mõelge mootori lihtsustatud mudelile, mis koosneb fikseeritud osast, mille külge on kinnitatud magnetid - staatorist. Staatori sees saab juhtivast materjalist raam, mida nimetatakse rootoriks, vabalt pöörlema. Selleks, et elektrivool läbi raami voolaks, ühendatakse see klemmidega liugkontaktide abil (joonis 4). Kui ühendate mootori voltmeetriga ahelas alalisvooluallikaga, hakkab vooluringi sulgemisel pöörlema ​​raam koos vooluga.

Riis. 4. Elektrimootori tööpõhimõte

1269. aastal kirjutas prantsuse loodusteadlane Pierre de Maricourt teose pealkirjaga "Kiri magnetil". Pierre de Maricourti peamine eesmärk oli luua igiliikur, milles ta kavatses kasutada magnetite hämmastavaid omadusi. Kui edukad tema katsed olid, pole teada, kuid kindel on see, et Jacobi kasutas paadi edasiliikumiseks oma elektrimootorit, samal ajal kui tal õnnestus see hajutada kiiruseni 4,5 km/h.

Tuleb mainida veel üht seadet, mis töötab Ampère’i seaduste alusel. Ampère näitas, et voolu kandev mähis käitub nagu püsimagnet. See tähendab, et on võimalik ehitada elektromagnet- seade, mille võimsust saab reguleerida (joonis 5).

Riis. 5. Elektromagnet

Just Ampere tuli välja ideega, et juhte ja magnetnõelu kombineerides saab luua seadme, mis edastab infot kaugelt.

Riis. 6. Elektriline telegraaf

Telegraafi idee (joonis 6) tekkis esimestel kuudel pärast elektromagnetismi avastamist.

Elektromagnetiline telegraaf sai aga laialt levinud pärast seda, kui Samuel Morse lõi mugavama aparaadi ja, mis kõige tähtsam, töötas välja punktidest ja kriipsudest koosneva kahendtähestiku, mida nimetatakse Morse koodiks.

Elektriahelat sulgeva "Morse võtme" abil genereerib edastav telegraafiaparaat sideliinis lühi- või pikki elektrisignaale, mis vastavad morsekoodi punktidele või kriipsudele. Vastuvõtval telegraafiaparaadil (kirjutusvahendil) tõmbab elektromagnet signaali (elektrivoolu) läbimise ajaks ligi armatuuri, millega on jäigalt ühendatud kirjutusmetallratas või -kiri, mis jätab paberilindile tindijälje ( joonis 7).

Riis. 7. Telegraafi skeem

Matemaatik Gauss tegi Ampere’i uurimistööga tutvudes ettepaneku luua originaalne relv (joonis 8), mis töötaks raudkuulile magnetvälja mõju põhimõttel – mürsk.

Riis. 8. Gaussi relv

On vaja pöörata tähelepanu ajaloolisele ajastule, mil need avastused tehti. 19. sajandi esimesel poolel tegi Euroopa tööstusrevolutsiooni teel suuri hüppeid – see oli viljakas aeg teadusavastusteks ja nende kiireks praktikas rakendamiseks. Ampère andis sellesse protsessi kahtlemata olulise panuse, andes tsivilisatsioonile elektromagnetid, elektrimootorid ja telegraafi, mida kasutatakse siiani laialdaselt.

Toome välja Lorentzi peamised avastused.

Lorentz leidis, et magnetväli mõjutab selles liikuvat osakest, sundides seda liikuma mööda ringikaare:

Lorentzi jõud on tsentripetaalne jõud, mis on risti kiiruse suunaga. Esiteks võimaldab Lorentzi avastatud seadus määrata sellise olulise tunnuse nagu laengu ja massi suhe - konkreetne tasu.

Konkreetse laengu väärtus on iga laetud osakese kordumatu väärtus, mis võimaldab neid tuvastada, olgu selleks elektron, prooton või mõni muu osake. Nii said teadlased uurimistööks võimsa tööriista. Näiteks õnnestus Rutherfordil analüüsida radioaktiivset kiirgust ja tuvastada selle komponendid, mille hulgas on alfaosakesed - heeliumi aatomi tuumad - ja beetaosakesed - elektronid.

Kahekümnendal sajandil ilmusid kiirendid, mille töö põhineb sellel, et laetud osakesi kiirendatakse magnetväljas. Magnetväli painutab osakeste trajektoore (joonis 9). Jälje painde suund võimaldab hinnata osakese laengu märki; trajektoori raadiust mõõtes saab määrata osakese kiiruse, kui on teada selle mass ja laeng.

Riis. 9. Osakeste trajektoori kõverus magnetväljas

Sellel põhimõttel töötati välja suur hadronite põrkur (joonis 10). Tänu Lorentzi avastustele sai teadus täiesti uue füüsikalise uurimistöö tööriista, mis avas tee elementaarosakeste maailma.

Riis. 10. Suur hadronite põrgati

Iseloomustamaks teadlase mõju tehnoloogia arengule, tuletagem meelde, et Lorentzi jõu avaldisest on võimalik arvutada konstantses magnetväljas liikuva osakese trajektoori kõverusraadius. Konstantsetes välistingimustes sõltub see raadius osakese massist, selle kiirusest ja laengust. Seega saame võimaluse klassifitseerida laetud osakesi nende parameetrite järgi ja seetõttu saame analüüsida mis tahes segu. Kui gaasilises olekus ainete segu ioniseerida, hajutada ja magnetvälja suunata, hakkavad osakesed liikuma mööda erineva raadiusega ringikaare - osakesed lahkuvad väljast erinevates punktides ja jääb vaid fikseerige need lähtepunktid, mida rakendatakse fosforiga kaetud ekraani abil, mis helendab, kui laetud osakesed seda tabavad. See toimib täpselt nii massianalüsaator(Joonis 11) . Massianalüsaatoreid kasutatakse laialdaselt füüsikas ja keemias segude koostise analüüsimiseks.

Riis. 11. Massianalüsaator

Need ei ole kõik tehnilised seadmed, mis töötavad Ampere'i ja Lorentzi arengute ja avastuste põhjal, sest varem või hiljem lakkab teaduslik teadmine olemast teadlaste ainuomand ja muutub tsivilisatsiooni omandiks, samas kui see kehastub erinevatesse tehnilistesse. seadmed, mis muudavad meie elu mugavamaks.

Bibliograafia

1. Kasjanov V.A., Füüsika 11. klass: Õpik. üldhariduse jaoks institutsioonid. - 4. väljaanne, stereotüüp. - M.: Bustard, 2004. - 416 lk.: ill., 8 lk. kol. sh.
2. Gendenstein L.E., Dick Yu.I., Füüsika 11. - M .: Mnemosyne.
3. Tikhomirova S.A., Yarovsky B.M., Füüsika 11. - M.: Mnemosüün.

1. Internetiportaal "Chip and Dip" ().
2. Interneti-portaal "Kiievi linnaraamatukogu" ().
3. Internetiportaal "Instituut kaugõpe» ().

Kodutöö

1. Kasjanov V.A., Füüsika 11. klass: Õpik. üldhariduse jaoks institutsioonid. - 4. väljaanne, stereotüüp. - M.: Bustard, 2004. - 416 lk.: ill., 8 lk. kol. sh Art. 88, c. 1-5.

2. Pilvekambris, mis on paigutatud ühtlasesse 1,5 T induktsiooniga magnetvälja, jätab alfaosake, mis lendab risti induktsioonijoontega, jälje raadiusega ringikaare kujul. 2,7 cm. Määrake osakese impulss ja kineetiline energia. Alfaosakese mass on 6,7∙10–27 kg ja laeng 3,2∙10–19 C.

3. Massispektrograaf. 4 kV potentsiaalide erinevusega kiirendatud ioonikiir lendab ühtlasesse magnetvälja magnetinduktsiooniga 80 mT risti magnetinduktsiooni joontega. Kiir koosneb kahte tüüpi ioonidest, mille molekulmass on 0,02 kg/mol ja 0,022 kg/mol. Kõigi ioonide laeng on 1,6 ∙ 10 -19 C. Ioonid lendavad põllult välja kahe kiirena (joon. 5). Leidke eralduvate ioonkiirte vaheline kaugus.

4. * Kasutades alalisvoolumootorit, tõstke koormus kaablile. Kui elektrimootor on pingeallikast lahti ühendatud ja rootor on lühises, langeb koormus ühtlase kiirusega. Selgitage seda nähtust. Millise kuju võtab koormuse potentsiaalne energia?