КАТЕГОРИИ: Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748) |
Индукция магнитного поля. Для того, чтобы описывать реальное воздействие магнитного поля, например, на рамку с током или магнитную стрелку необходимо ввести какую-либо количественную
Для того, чтобы описывать реальное воздействие магнитного поля, например, на рамку с током или магнитную стрелку необходимо ввести какую-либо количественную характеристику, связывающую магнитное поле с уже известными физическими величинами. Поэтому для описания магнитного поля была введена векторная физическая величина, называемая магнитной индукцией (). Модуль ее величины определяется как отношение максимального вращательного момента к силе тока I в контуре и его площади S: (9.6.1.) Величина магнитной индукции не зависит от формы контура с током и представляет количественную характеристику, описывающую магнитное поле. На рис.9.14 представлена рамка с магнитным полем площадью S, по которой течет ток I. Под действием момента сил М=Fl крутильные весы поворачиваются на угол α, по которому можно ценить момент сил, действующих на рамку. Единица магнитной индукции в системе СИ тесла определяется по формуле (9.6.1): .
Рис. 9.12. Иллюстрация правила правой руки (а) и взаимодействия токов. Экспериментально установлено, что величина силы (), действующей на проводник с током, пропорциональна силе тока (), длине проводника () и магнитной индукции (): ,[13] (9.6.2) где q– угол между элементом тока I и направлением магнитной индукции (рис. 9.15). Рис.9.14. Рамка в магнитном поле.
Если проводник перпендикулярен силовым линиям магнитного поля, сила, действующая на него, максимальна. В случае, когда проводник параллелен силовым линиям магнитного поля, эта сила равна нулю. Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, называется силой Ампера, а выражение: , (9.6.3) Это выражение, как и формула (9.6.2), представляет собой формулировку закона Ампера для прямолинейного проводника с током. Из соотношения (9.6.1) после несложных преобразований можно легко получить выражение (9.6.2):
, где площадь рамки со сторонами и (рамка представлена на рис.9.14). а) б) Рис. 9.15. Проводник с током в магнитном поле (а), (б) – правило левой руки.
Сила Ампера перпендикулярна элементу с током и вектору магнитной индукции. Направление силы можно определить с помощью правила левой руки (рис.9.14б). Правило левой руки звучит так: если пальцы левой руки расположить вдоль направления тока, а силовые линии магнитной индукции будут входить в ее ладонь, то большой палец будет указывать направление действующей силы. Выражение (9.6.3) представляет собой векторное произведение векторов. Как видим, в физике целый ряд физических величин описывается векторными произведениями векторов – момент сил, момент импульса, сила Ампера. Его смысл в том, что первые два вектора лежат в одной плоскости. А третий вектор, представляющий их произведение, перпендикулярен этой плоскости. Сила Лоренца. Сила Ампера, действующая в магнитном поле на проводник с электрическим током, представляет собой сумму сил на каждый из электрических зарядов обоих знаков, движущихся в проводнике. Сила, действующая на каждый из зарядов, называется силой Лоренца. Связь между силой Лоренца и силой Ампера можно определить следующим образом. Пусть, через данную точку за время t приходит n частиц с зарядом q. Тогда ток, который создают частицы: , расстояние, которое проходят частицы за время t: . Сила Лоренца, действующая на n частиц: . Сила Лоренца, действующая на одну частицу: (9.6.4) Величина силы Лоренца для случая, когда скорость частицы перпендикулярна магнитному полю описывается выражением: F - сила, действующая на заряженные частицы, движущиеся в магнитном поле (рис.9.15). Направление силы Лоренца также определяется правилом левой руки: она всегда перпендикулярна магнитной индукции и направлению скорости движения заряда. Если скорость частицы не перпендикулярна магнитному полю, то величина силы Лоренца становится меньше, как описывает (9.6.4).
Под действием силы Лоренца заряженная частица, попавшая в магнитное поле, перпендикулярно его силовым линиям начинает двигаться по окружности (рис.9.16). Сила Лоренца в этом случае согласно правилу левой руки направлена вдоль радиуса окружности и представляет собой центростремительную силу: (9.6.5) На этом принципе работают многие уникальные физические приборы: масс- спектрометр, кольцевые ускорители заряженных частиц, метод разделения заряженных частиц в камере Вильсона и многие другие.
Рис. 9.16. Движение заряженных частиц в магнитном поле. Пример 9.4. Пусть, например, электрон или ион, двигающийся со скоростью V перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, попав в него, станет двигаться по окружности радиуса R. По правилу левой руки, сила, действующая на заряженную частицу, направлена «внутрь» окружности, то есть совпадает с направлением центростремительной силы. Поэтому второй закон Ньютона для заряженной частицы, движущейся в постоянном магнитном поле перпендикулярно его силовым линиям, имеет вид: Откуда радиус окружности, по которой будет двигаться заряженная частица, составляет: Эта формула позволила создать уникальный прибор, позволяющий с высочайшей точностью измерять массы молекул, атомов и частиц – масс-спектрометр, который ниже будет описан подробнее. Примером действия силы Лоренца также является возникновение разности потенциалов между крыльями самолета. Она возникает из-за того, что на электроны в металлической обшивке самолета, движущиеся в магнитном поле действует сила Лоренца перпендикулярно направлению движения самолета. Это приводит к накоплению электронов в конце одного из крыльев. Между крыльями возникает разность потенциалов. Рассмотрим очень интересный прибор, основанный на использовании силы Лоренца, электрических и магнитных полей – масс-спектрометр. Он представляет собой выдающиеся достижение физики и техники и является ярким примером применения на практике электрических и магнитных полей. Прибор очень широко используется в различных областях науки и народного хозяйства.
Масс-спектрометр. Масс-спектрометр - это уникальный прибор, который был изобретен для измерения массы атомов и молекул. Он получил широкое распространение в физике, химии, биологии, медицине и других естественных науках. На рис.9.12 представлена схема масс – спектрометра. Рис. 9.17. Схема масс- спектрометра.
Физический принцип действия прибора заключается в следующем. В первой части масс – спектрометра в устройстве происходит разделение ионов с зарядом q по их скорости. Для этого используются скрещенные, перпендикулярные друг другу, электрическое и магнитное поля. На каждый ион вдоль одной оси действует сила Лоренца и сила Кулона. Если эти силы равны друг другу, то: (9.6.6) Из уравнения видно, что ионы, имеющие скорость v=E/B, пройдя щель S1, пройдут область на рис.9.16 без отклонений, и смогут попасть в щель S2. Ионы, для которых соотношение (9.3.5) не выполняется, не попадут в щель S2. В области S2 (во второй части спектрометра) существует только магнитное поле , и, под действием силы Лоренца, ионы движутся по дуге окружности. Так как: тогда масса заряженного иона определяется выражением: . Радиус кривизны их траектории можно измерить, поставив на пути фотопленку, которая засвечивается в тех местах, куда попадают ионы. Этим методом были измерены массы многих атомов и ядер (в ядерной физике таким способом измерены массы более 3000 ядер и частиц, в том числе и живущих очень короткое время). Метод позволяет определять состав и количество примесей в веществе. На масс-спектрометрах были открыты атомы одного и того же вещества, имеющими разные массы, которые получили название изотопов. Масс –спектрометры широко используются в биологии и медицине для исследования состава, массы органических молекул.
Дата добавления: 2014-01-07; Просмотров: 741; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы! Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет |