Как происходит движение зарядов в магнитном поле
Содержание
На частицы с зарядом (электроны, протоны или ионы), перемещающиеся в магнитном поле (МП) с ненулевой скоростью, действует сила, получившая название в честь голландского ученого Лоренца. Она никак не влияет на скорость и энергию таких частиц, но приводит к искривлению траектории их движения, которая в общем случае является винтовой линией с центральной осью, расположенной параллельно вектору индукции МП. Явления, связанные с действием силы Лоренца, находят своё применение в научных приборах для получения информации об элементарных частицах, например, в масс-спектрометрах и ускорителях.
Откуда и почему появляется магнитное поле
Поле, которое называют магнитным, это неосязаемый для человека, но объективно существующий вид материи, благодаря которому между собой взаимодействуют частицы с зарядом, движущиеся с ненулевой скоростью, либо обладающие магнитными свойствами (намагниченностью или магнитным моментом).
К пониманию природы магнетизма учёным в начале XIX века удалось приблизиться благодаря трём открытиям;
- Датский физик Х. К. Эрстед в 1819 г. экспериментально доказал, что электрический ток, текущий в проводе, создаёт МП в окружающем его пространстве.
- Французские учёные Био и Савар в 1820 г. поставили ряд экспериментов, позволивших вычислять величину МП вокруг проводника с током (закон Био-Савара).
- Французский исследователь А. Ампер в 1820 г. обнаружил, что два соседних провода с током имеют между собой силовое взаимодействие, зависящее от направления токов.
Ампер, используя в своих многочисленных экспериментах проводники самой разной длины и сечения и пропуская по ним электроток разной величины, пришел к выводу, выраженному формулой для определения силы, действующей на проводник, находящийся в МП.
Полученная Ампером на основе экспериментальных данных формула правильно описывала связь измеряемых физических величин, но не объясняла сути (первопричины) явления. Это удалось сделать выдающемуся голландскому учёному Х. Лоренцу (1853–1928).
Сила, названная именем Лоренца
Электрический ток в проводнике — это упорядоченное однонаправленное движение зарядов, возникающее при воздействии внешнего электрического поля. Лоренц в 1895 г. теоретически получил формулу, позволяющую вычислить силу, действующую со стороны МП не на провод с электротоком, а на отдельный заряд, перемещающийся со скоростью v.
Такие физические величины, как сила, индукция и скорость являются векторными, поэтому FL направлена строго под углом 90 градусов к векторам v и В. Основываясь на формулировке Лоренца, можно сделать вывод, что при скорости, направленной параллельно вектору индукции, сила FL = 0, так как sin α = 0. Чтобы узнать, в каком направлении действует эта сила, следует воспользоваться правилом левой руки.
На движение заряженных частиц в электрическом поле оказывает влияние еще и поле магнитной природы. Чтобы вычислить силу Fэ, с которой электрополе действует на частицу с каким-либо зарядом, используют формулу:
Тогда, при одновременном воздействии полей (ЭП и МП), суммарная сила будет равна:
В связи с тем, что сила FL направлена под углом 90 градусов к скорости, работу она не совершает и поэтому никак не влияет на кинетическую энергию частицы. Исходя из этого, можно сделать вывод, что наличие FL не способствует изменению кинетической энергии зарядов и не влияет на абсолютную величину (модуль) их скорости. Под действием лоренцевой силы FL изменяется лишь направление движения зарядов.
Варианты траектории движения
На рисунке ниже представлено два варианта движения электрозаряда q в однородном МП.
Если вектор скорости направлен под углом 90 градусов к вектору индукции, то будет наблюдаться движение заряда в однородном магнитном поле по окружности. Постоянство модуля его центростремительного ускорения при вращении с постоянной величиной модуля скорости указывает на то, что движение осуществляется по окружности с неизменным радиусом R, величина которого вычисляется с помощью формулы:
Если одна из составляющих скорости электрозаряда направлена также как и индукция МП, то он будет перемещаться по винтовой линии. Радиус этой спирали определяется модулем составляющей скорости, расположенной под углом 90 градусов к вектору индукции, а шаг — модулем продольной составляющей.
Практическое применение силы Лоренца
Движение частицы в электрическом поле под действием МП широко используется в современной, высокотехнологичной, наукоёмкой технике. Не так давно все трубки осциллографов и телевизоров (кинескопы) работали за счет лоренцевой силы, когда электроны направлялись на экран с помощью МП определённой конфигурации, которое создавалось специальными магнитными катушками. Изображение на экране современных телевизоров получают на основе других физических принципов (плазменные, LED и ЖК световые панели).
Действие МП позволяет разделять (сортировать) частицы по удельному заряду, который равен отношению заряда к массе q/m. Приборы, использующие этот эффект, называются масс-спектрометрами. Они позволяют измерять массы электрозарядов с точностью более 10-4.
Вакуумная камера таких приборов размещается в магнитном поле. Под действием электрического поля заряженные частицы вначале разгоняются, а потом, описав дугообразную траекторию в МП, оставляют след на фоточувствительной плёнке. Полученная информация позволяет довольно точно определить радиус, а затем вычислить массу.
Работа циклотронов и синхрофазатронов и прочих ускорителей полностью базируется на проявлении силы Лоренца.
Сила Лоренца и магнитное поле планеты
Еще одним видимым проявлением действия лоренцевой силы является северное сияние.
Наша планета создает вокруг себя неоднородное магнитное поле определённой конфигурации. Космические заряженные частицы, попадая в это поле, продвигаются по винтовым траекториям. Они взаимодействуют с верхними слоями атмосферы и создают полярное (северное) сияние.
Загрузка...
