Сила Лоренца. Прискорювачі заряджених частинок. Магнітні пастки

Елемент струму – це провідник довжиною всередині якого за час через поперечний переріз переноситься електронів. За законом Ампера на даний елемент струму з боку магнітного поля індукцією діє сила:

,

у скалярному вигляді:

,

де – швидкість направленого руху електронів уздовж провідника.

Поділивши ліву і праву частини останнього рівняння на кількість носіїв струму , отримаємо числове значення сили, з якою магнітне поле індукцією діє на окремий електрон:

.

Силу, з якою магнітне поле індукцією діє на окрему частинку зарядом , що рухається зі швидкістю називають силою Лоренца:

,

напрямок сили Лоренца, визначається правилом правило лівої руки: якщо ліву руку розмістити так, щоб лінії індукції магнітного поля входили в долоню, а чотири випрямлених пальці збігалися з напрямом руху позитивно зарядженої частинки, то відхилений під прямим кутом великий палець вкаже напрям сили Лоренца. Для визначення напряму дії сили Лоренца на негативно заряджену частинку, напрям сили, отриманий за правилом лівої руки змінюють на протилежний або використовують праву руку.

Оскільки сила Лоренца завжди направлена перпендикулярно до напрямку швидкості руху зарядженої частинки, то магнітне поле не виконує роботу по її переміщенню, а лише змінює напрям швидкості частинки. Абсолютне значення швидкості зарядженої частинки і, відповідно, кінетична енергія при цьому на змінюється.

Якщо на рухому заряджену частинку окрім магнітного поля з індукцією діє і електричне поле з напруженістю , то результуюча сила, прикладена до частинки, дорівнює векторній сумі сил – сили, що діє з боку електричного поля, і сили Лоренца:

.

Цей вираз називають формулою Лоренца. Швидкість у цій формулі – це швидкість зарядженої частинки відносно магнітного поля, оскільки при переході від однієї інерціальної системи до іншої змінюються не лише швидкість частинки, але й силові характеристики полів і .

Поведінка зарядженої частинки в однорідному постійному магнітному полі залежить від орієнтації швидкості її руху відносно ліній вектора індукції:

1. Якщо вектор швидкості руху частинки збігається з напрямом вектора індукції магнітного поля , то частинка буде продовжувати рухатись прямолінійно й рівномірно, оскільки ніщо не буде впливати на її рух ().

2. Якщо вектор швидкості руху частинки перпендикулярний до напряму вектора індукції магнітного поля , то сила Лоренца направлена перпендикулярно до траєкторії руху частинки () і виконуватиме роль доцентрової сили:

,

,

.

Тобто частинка буде рухатися по колу радіусом:

,

період обертання

,

не залежить від швидкості руху частинки.

3. Якщо заряджена частинка влітає у магнітне поле під кутом до силових ліній, , то вектор її швидкості можна розкласти на дві складові: паралельну до вектора () і перпендикулярну до нього (). Тобто частинка одночасно буде здійснювати поступальний рух вздовж ліній індукції магнітного поля зі сталою швидкістю і рух по колу зі швидкістю описуючи гвинтову траєкторію (див. рис.):

,

.

Радіус витків гвинтової лінії

,

а крок гвинтової лінії руху зарядженої частинки

.

4. Складнішою є траєкторія руху зарядженої частинки у неоднорідному магнітному полі. Якщо, наприклад, заряджена частинка рухається вздовж напрямку зростання індукції магнітного поля, то з останніх формул видно, що і будуть пропорційно зменшуватись, тобто частинка рухатиметься по спіралі, що скручується. На цьому явищі побудований принцип магнітного фокусування пучків заряджених частинок.

Область фізики і техніки, в якій вивчаються питання формування, фокусування і відхилення пучків заряджених частинок, отримання з їх допомогою зображень під дією електричних і магнітних полів у вакуумі, називають електронною оптикою.

До електронно-оптичних елементів і приладів відносять:

· магнітні і електронні лінзи, які призначені для створення магнітних та електричних полів з певною симетрією і керування через них потоками заряджених частинок. Магнітні та електронні лінзи застосовуються для одержання зображень за допомогою електронних та іонних пучків, формування, фокусування і відхилення яких відбувається за допомогою електронних і магнітних полів. Застосовуються в електронно-променевих трубках, електронних мікроскопах, електронних прискорювачах, аналоговому телебаченні та радіолокації;

· електронний мікроскоп, призначений для спостереження та фотографування збільшених до 10⁶ разів зображень об’єктів, в яких замість світлових променів використовують електронні пучки, прискоренні в умовах глибокого вакууму до енергії 30 – 100 кеВ. Дає можливість отримувати зображення окремих молекул і важких атомів, досліджувати мікрорельєф поверхонь, розподіл хімічного складу речовини на поверхні об’єкта, здійснювати структурний аналіз;

· мас-спектрометри – прилади, призначені для розділення іонізованих молекул і атомів за їх масами. Використовуються в ядерній енергетиці, геології, геохімії для елементарного і структурного молекулярного аналізу тощо;

· прискорювачі заряджених частинок – установки, призначені для одержання заряджених частинок (електронів, протонів, атомних ядер, іонів тощо) великих енергій за допомогою прискорень їх електричними і магнітними полями. За типом заряджених частинок, які підлягають прискоренню, розрізняють протонні, електронні та іонні прискорювачі. За формою траєкторій, уздовж яких розганяють частинки, розрізняють лінійні і циклічні прискорювачі (синхрофазотрон, синхротрон, фазотрон, циклотрон, мікротрон, бетатрон). Використовуються у наукових дослідженнях з атомної та ядерної фізики елементарних частинок, у хімії, біофізиці, геофізиці,а також у ряді прикладних галузей (дефектоскопії, променевій терапії тощо).

Дата добавления: 2014-01-04