ABSTRAK
Dalam mata pelajaran "Fisika"
Topik: “Penerapan gaya Lorentz”
Diselesaikan oleh: Siswa kelompok T-10915 Logunova M.V.
Guru Vorontsov B.S.
Kurgan 2016
Perkenalan. 3
1. Penggunaan gaya Lorentz. 4
.. 4
1. 2 Spektrometri massa. 6
1. 3 pembangkit MHD. 7
1.4 Siklotron. 8
Kesimpulan. sebelas
Daftar literatur bekas... 13
Perkenalan
gaya Lorentz- gaya medan elektromagnetik, menurut elektrodinamika klasik (non-kuantum), bekerja pada partikel bermuatan titik. Kadang-kadang gaya Lorentz disebut gaya yang bekerja pada benda bergerak dengan kecepatan υ mengenakan biaya Q hanya dari luar Medan gaya, seringkali dengan kekuatan penuh - dari samping medan elektromagnetik secara umum dengan kata lain dari sisi kelistrikan E dan magnetis B bidang.
Dalam Satuan Sistem Internasional (SI) dinyatakan sebagai:
F L = Q υ B dosa α
Namanya diambil dari nama fisikawan Belanda Hendrik Lorentz, yang memperoleh ungkapan gaya ini pada tahun 1892. Tiga tahun sebelum Lorenz, ungkapan yang benar ditemukan oleh O. Heaviside.
Manifestasi makroskopis gaya Lorentz adalah gaya Ampere.
Menggunakan gaya Lorentz
Pengaruh medan magnet pada partikel bermuatan yang bergerak sangat banyak digunakan dalam teknologi.
Penerapan utama gaya Lorentz (lebih tepatnya, kasus khususnya - gaya Ampere) adalah mobil listrik(motor listrik dan generator). Gaya Lorentz banyak digunakan pada perangkat elektronik untuk mempengaruhi partikel bermuatan (elektron dan terkadang ion), misalnya pada televisi tabung sinar katoda , V spektrometri massa Dan generator MHD.
Selain itu, dalam instalasi eksperimental yang saat ini dibuat untuk melakukan reaksi termonuklir terkendali, aksi medan magnet pada plasma digunakan untuk memelintirnya menjadi kabel yang tidak menyentuh dinding ruang kerja. Gerak melingkar partikel bermuatan dalam medan magnet seragam dan independensi periode gerak tersebut terhadap kecepatan partikel digunakan dalam akselerator siklik partikel bermuatan - siklotron.
1. 1. Perangkat berkas elektron
Perangkat berkas elektron (EBD) adalah kelas perangkat elektronik vakum yang menggunakan aliran elektron, terkonsentrasi dalam bentuk berkas tunggal atau berkas berkas, yang dikontrol intensitas (arus) dan posisinya dalam ruang, serta berinteraksi dengan target spasial stasioner (layar) perangkat. Ruang lingkup utama penerapan ELP adalah konversi informasi optik menjadi sinyal listrik dan konversi terbalik sinyal listrik menjadi sinyal optik - misalnya, menjadi gambar televisi yang terlihat.
Golongan alat sinar katoda tidak termasuk tabung sinar-X, fotosel, fotomultiplier, alat pelepasan gas (dekatron) dan tabung penerima dan penguat elektron (beam tetroda, indikator vakum listrik, lampu dengan emisi sekunder, dan lain-lain) dengan a bentuk pancaran arus.
Perangkat berkas elektron setidaknya terdiri dari tiga bagian utama:
· Lampu sorot elektronik (pistol) membentuk berkas elektron (atau seberkas sinar, misalnya tiga berkas dalam tabung gambar berwarna) dan mengontrol intensitasnya (arus);
· Sistem defleksi mengontrol posisi spasial balok (penyimpangannya dari sumbu lampu sorot);
· Target (layar) dari ELP penerima mengubah energi sinar menjadi fluks cahaya dari gambar yang terlihat; target ELP yang mentransmisikan atau menyimpan mengumpulkan potensi relief spasial, dibaca oleh berkas elektron pemindaian
| Beras. 1 perangkat CRT |
Prinsip-prinsip umum perangkat.
Kekosongan yang dalam tercipta di dalam silinder CRT. Untuk membuat berkas elektron, digunakan alat yang disebut senjata elektron. Katoda, yang dipanaskan oleh filamen, memancarkan elektron. Dengan mengubah tegangan pada elektroda kontrol (modulator), Anda dapat mengubah intensitas berkas elektron dan, karenanya, kecerahan gambar. Setelah keluar dari pistol, elektron dipercepat oleh anoda. Selanjutnya balok melewati sistem defleksi yang dapat mengubah arah balok. Televisi CRT menggunakan sistem defleksi magnetik karena memberikan sudut defleksi yang besar. CRT osilografik menggunakan sistem defleksi elektrostatik karena memberikan kinerja yang lebih baik. Berkas elektron mengenai layar yang dilapisi fosfor. Dibombardir oleh elektron, fosfor bersinar dan titik yang bergerak cepat dengan kecerahan bervariasi menciptakan gambar di layar.
1. 2 Spektrometri massa
| Beras. 2 |
Gaya Lorentz juga digunakan dalam instrumen yang disebut spektrograf massa, yang dirancang untuk memisahkan partikel bermuatan menurut muatan spesifiknya.
Spektrometri massa(spektroskopi massa, spektrografi massa, analisis spektral massa, analisis spektrometri massa) - metode untuk mempelajari suatu zat berdasarkan penentuan rasio massa terhadap muatan ion yang dibentuk oleh ionisasi komponen sampel yang diinginkan. Salah satu cara paling ampuh untuk mengidentifikasi zat secara kualitatif, yang juga memungkinkan penentuan kuantitatif. Kita dapat mengatakan bahwa spektrometri massa adalah “penimbangan” molekul dalam suatu sampel.
Diagram spektograf massa paling sederhana ditunjukkan pada Gambar 2.
Di dalam ruang 1, tempat udara dikeluarkan, terdapat sumber ion 3. Ruang tersebut ditempatkan dalam medan magnet seragam, pada setiap titik di mana induksi B⃗ B→ tegak lurus terhadap bidang gambar dan diarahkan ke arah kami (pada Gambar 1 bidang ini ditandai dengan lingkaran). Tegangan percepatan diterapkan antara elektroda A dan B, di bawah pengaruh ion-ion yang dipancarkan dari sumber dipercepat dan pada kecepatan tertentu memasuki medan magnet yang tegak lurus terhadap garis induksi. Bergerak dalam medan magnet sepanjang busur lingkaran, ion-ion jatuh pada pelat fotografi 2, yang memungkinkan untuk menentukan jari-jari R busur ini. Mengetahui induksi medan magnet B dan kecepatan ion, sesuai rumus
muatan spesifik ion dapat ditentukan. Dan jika muatan ion diketahui, massanya dapat dihitung.
Sejarah spektrometri massa berawal dari eksperimen penting J. J. Thomson pada awal abad ke-20. Akhiran “-metri” pada nama metode ini muncul setelah transisi luas dari mendeteksi partikel bermuatan menggunakan pelat fotografi ke pengukuran listrik arus ion.
Spektrometri massa banyak digunakan dalam analisis zat organik, karena spektrometri massa memberikan identifikasi yang pasti terhadap molekul yang relatif sederhana dan kompleks. Satu-satunya persyaratan umum- agar molekul dapat terionisasi. Namun, saat ini sudah ditemukan
Ada begitu banyak cara untuk mengionisasi komponen sampel sehingga spektrometri massa dapat dianggap sebagai metode yang mencakup semua hal.
1. 3 pembangkit MHD
Generator magnetohidrodinamik, generator MHD adalah pembangkit listrik dimana energi fluida kerja (media penghantar listrik cair atau gas) yang bergerak dalam medan magnet diubah langsung menjadi energi listrik.
Prinsip pengoperasian generator MHD, seperti halnya generator mesin konvensional, didasarkan pada fenomena tersebut induksi elektromagnetik, yaitu terjadinya arus pada suatu penghantar yang melintasi garis-garis medan magnet. Berbeda dengan generator mesin, konduktor pada generator MHD adalah fluida kerja itu sendiri.
Fluida kerja bergerak melintasi medan magnet, dan di bawah pengaruh medan magnet, timbul aliran pembawa muatan yang berlawanan arah dengan tanda yang berlawanan.
Gaya Lorentz bekerja pada partikel bermuatan.
Media berikut ini dapat berfungsi sebagai fluida kerja generator MHD:
· elektrolit;
· logam cair;
· plasma (gas terionisasi).
Generator MHD pertama menggunakan cairan penghantar listrik (elektrolit) sebagai fluida kerjanya. Saat ini, plasma digunakan di mana pembawa muatannya sebagian besar adalah elektron bebas dan ion positif. Di bawah pengaruh medan magnet, pembawa muatan menyimpang dari lintasan pergerakan gas tanpa adanya medan. Dalam hal ini, medan Hall dapat muncul dalam medan magnet yang kuat (lihat efek Hall) - Medan listrik, terbentuk sebagai akibat tumbukan dan perpindahan partikel bermuatan pada bidang yang tegak lurus medan magnet.
1.4 Siklotron
Siklotron adalah akselerator siklik resonansi partikel bermuatan berat non-relativistik (proton, ion), di mana partikel bergerak dalam medan magnet yang konstan dan seragam, dan medan listrik frekuensi tinggi dengan frekuensi konstan digunakan untuk mempercepatnya.
Diagram rangkaian siklotron ditunjukkan pada Gambar 3. Partikel bermuatan berat (proton, ion) memasuki ruangan dari injektor di dekat pusat ruangan dan dipercepat oleh medan bolak-balik dengan frekuensi tetap yang diterapkan pada elektroda percepatan (ada dua di antaranya dan disebut dees). Partikel dengan muatan Ze dan massa m bergerak dalam medan magnet konstan dengan intensitas B, diarahkan tegak lurus terhadap bidang gerak partikel, dalam spiral yang tidak berliku. Jari-jari R lintasan suatu partikel yang mempunyai kecepatan v ditentukan oleh rumus
dimana γ = -1/2 adalah faktor relativistik.
Dalam siklotron, untuk partikel nonrelativistik (γ ≈ 1) dalam medan magnet konstan dan seragam, jari-jari orbital sebanding dengan kecepatan (1), dan frekuensi rotasi partikel nonrelativistik (frekuensi siklotron tidak bergantung pada energi partikel
| E = mv 2 /2 = (Ze) 2 B 2 R 2 /(2m) (3) |
Di celah antara dees, partikel dipercepat oleh medan listrik yang berdenyut (tidak ada medan listrik di dalam dees logam berongga). Akibatnya, energi dan radius orbit bertambah. Dengan mengulangi percepatan medan listrik pada setiap putaran, energi dan jari-jari orbit menjadi maksimum nilai-nilai yang dapat diterima. Dalam hal ini, partikel memperoleh kecepatan v = ZeBR/m dan energi yang sesuai:
Pada putaran terakhir spiral, medan listrik yang membelokkan dihidupkan, mengarahkan berkas keluar. Keteguhan medan magnet dan frekuensi medan percepatan memungkinkan percepatan terus menerus. Sementara beberapa partikel bergerak di sepanjang putaran luar spiral, yang lain berada di tengah-tengah jalur, dan yang lainnya baru mulai bergerak.
Kerugian dari siklotron adalah keterbatasan energi partikel yang pada dasarnya non-relativistik, karena koreksi relativistik yang tidak terlalu besar (penyimpangan dari kesatuan) mengganggu sinkronisasi percepatan pada putaran yang berbeda dan partikel dengan energi yang meningkat secara signifikan tidak lagi punya waktu untuk berakhir di celah antara dee dalam fase medan listrik yang diperlukan untuk percepatan . Dalam siklotron konvensional, proton dapat dipercepat hingga 20-25 MeV.
Untuk mempercepat partikel berat dalam mode spiral yang tidak berliku ke energi puluhan kali lebih tinggi (hingga 1000 MeV), modifikasi siklotron disebut isokron(relativistik) siklotron, serta fasotron. Dalam siklotron isokron, efek relativistik dikompensasi oleh peningkatan medan magnet secara radial.
Kesimpulan
Teks tersembunyi
Kesimpulan tertulis (yang paling mendasar untuk semua sub-paragraf di bagian pertama - prinsip tindakan, definisi)
Daftar literatur bekas
1. Wikipedia [Sumber daya elektronik]: Kekuatan Lorentz. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Lorentz_Force
2. Wikipedia [Sumber daya elektronik]: Generator magnetohidrodinamik. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Magnetohydrodynamic_generator
3. Wikipedia [Sumber daya elektronik]: Perangkat berkas elektron. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Electron-beam_devices
4. Wikipedia [Sumber daya elektronik]: Spektrometri massa. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Spektrometri massa
5. Fisika nuklir di Internet [Sumber daya elektronik]: Cyclotron. URL: http://nuclphys.sinp.msu.ru/experiment/accelerators/ciclotron.htm
6. Buku teks fisika elektronik [Sumber daya elektronik]: T. Penerapan gaya Lorentz // URL: http://www.physbook.ru/index.php/ T. Penerapan gaya Lorentz
7. Akademisi [Sumber daya elektronik]: Generator magnetohidrodinamik // URL: http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/MAGNETOHYDRODYNAMIC
©2015-2019 situs
Semua hak milik penulisnya. Situs ini tidak mengklaim kepenulisan, tetapi menyediakan penggunaan gratis.
Tanggal pembuatan halaman: 31-03-2017
Selain gaya Ampere, interaksi Coulomb, dan medan elektromagnetik, konsep gaya Lorentz sering dijumpai dalam fisika. Fenomena ini merupakan salah satu fenomena mendasar dalam bidang teknik elektro dan elektronika, dan lain-lain. Ini mempengaruhi muatan yang bergerak dalam medan magnet. Pada artikel ini kita akan membahas secara singkat dan jelas apa itu gaya Lorentz dan di mana penerapannya.
Definisi
Ketika elektron bergerak sepanjang konduktor, medan magnet muncul di sekitarnya. Pada saat yang sama, jika Anda menempatkan konduktor dalam medan magnet transversal dan menggerakkannya, ggl induksi elektromagnetik akan timbul. Jika arus mengalir melalui suatu penghantar yang terletak dalam medan magnet, maka gaya Ampere akan bekerja padanya.
Nilainya tergantung pada arus yang mengalir, panjang penghantar, besarnya vektor induksi magnet dan sinus sudut antara garis medan magnet dan penghantar. Itu dihitung menggunakan rumus:
Gaya yang dipertimbangkan sebagian mirip dengan gaya yang dibahas di atas, tetapi tidak bekerja pada konduktor, tetapi pada partikel bermuatan yang bergerak dalam medan magnet. Rumusnya terlihat seperti:
Penting! Gaya Lorentz (Fl) bekerja pada elektron yang bergerak dalam medan magnet, dan pada konduktor - Ampere.
Dari kedua rumus tersebut jelas bahwa dalam kasus pertama dan kedua, semakin dekat sinus sudut alfa ke 90 derajat, semakin besar pengaruhnya terhadap konduktor atau muatan masing-masing sebesar Fa atau Fl.
Jadi, gaya Lorentz tidak mencirikan perubahan kecepatan, tetapi pengaruh medan magnet pada elektron bermuatan atau ion positif. Saat terkena mereka, Fl tidak melakukan pekerjaan apapun. Oleh karena itu, yang berubah adalah arah kecepatan partikel bermuatan, dan bukan besarnya.
Adapun satuan pengukuran gaya Lorentz, seperti halnya gaya-gaya lain dalam fisika, digunakan besaran seperti Newton. Komponennya:
Bagaimana gaya Lorentz diarahkan?
Untuk menentukan arah gaya Lorentz, seperti halnya gaya Ampere, berlaku aturan tangan kiri. Artinya, untuk mengetahui ke mana arah nilai Fl, Anda perlu membuka telapak tangan kiri agar garis-garis induksi magnet masuk ke tangan Anda, dan keempat jari yang terjulur menunjukkan arah vektor kecepatan. Kemudian ibu jari yang ditekuk tegak lurus terhadap telapak tangan menunjukkan arah gaya Lorentz. Pada gambar di bawah ini Anda dapat melihat cara menentukan arah.
Perhatian! Arah aksi Lorentz tegak lurus terhadap gerak partikel dan garis induksi magnet.
Dalam hal ini, lebih tepatnya, untuk partikel bermuatan positif dan negatif, arah keempat jari yang terbuka itu penting. Aturan tangan kiri yang dijelaskan di atas dirumuskan untuk partikel positif. Jika bermuatan negatif, maka garis-garis induksi magnet tidak mengarah ke telapak tangan yang terbuka, melainkan ke arah punggungnya, dan arah vektor Fl akan berlawanan.
Sekarang kami akan memberi tahu dengan kata-kata sederhana, apa yang diberikan fenomena ini kepada kita dan apa dampak nyatanya terhadap tuduhan tersebut. Mari kita asumsikan bahwa elektron bergerak pada bidang yang tegak lurus terhadap arah garis induksi magnet. Telah kami sebutkan bahwa Fl tidak mempengaruhi kecepatan, tetapi hanya mengubah arah gerak partikel. Maka gaya Lorentz akan menimbulkan efek sentripetal. Hal ini tercermin pada gambar di bawah ini.
Aplikasi
Dari semua bidang yang menggunakan gaya Lorentz, salah satu yang terbesar adalah pergerakan partikel di medan magnet bumi. Jika kita menganggap planet kita sebagai magnet besar, maka partikel-partikel yang terletak di dekat kutub magnet utara bergerak dalam spiral yang dipercepat. Akibatnya, mereka bertabrakan dengan atom dari lapisan atas atmosfer, dan kita melihat cahaya utara.
Namun, ada kasus lain dimana fenomena ini berlaku. Misalnya:
- Tabung sinar katoda. Dalam sistem defleksi elektromagnetiknya. CRT telah digunakan selama lebih dari 50 tahun berturut-turut berbagai perangkat, mulai dari osiloskop paling sederhana hingga televisi bentuk yang berbeda dan ukuran. Anehnya, dalam hal reproduksi warna dan bekerja dengan grafis, beberapa masih menggunakan monitor CRT.
- Mesin listrik – generator dan motor. Meskipun gaya Ampere lebih mungkin beraksi di sini. Tetapi besaran-besaran ini dapat dianggap berdekatan. Namun, ini adalah perangkat kompleks yang selama pengoperasiannya dipengaruhi oleh banyak fenomena fisik.
- Dalam akselerator partikel bermuatan untuk mengatur orbit dan arahnya.
Kesimpulan
Mari kita rangkum dan uraikan empat poin utama artikel ini dalam bahasa sederhana:
- Gaya Lorentz bekerja pada partikel bermuatan yang bergerak dalam medan magnet. Ini mengikuti rumus dasar.
- Hal ini berbanding lurus dengan kecepatan partikel bermuatan dan induksi magnet.
- Tidak mempengaruhi kecepatan partikel.
- Mempengaruhi arah partikel.
Perannya cukup besar di bidang “listrik”. Seorang spesialis tidak boleh melupakan informasi teoretis dasar tentang hukum fisika dasar. Pengetahuan ini akan bermanfaat, juga bagi mereka yang berkecimpung dalam karya ilmiah, desain, dan sekadar untuk pengembangan umum.
Sekarang Anda tahu apa itu gaya Lorentz, apa persamaannya, dan bagaimana pengaruhnya terhadap partikel bermuatan. Jika Anda memiliki pertanyaan, tanyakan di komentar di bawah artikel!
Bahan
Munculnya suatu kekuatan yang bekerja muatan listrik, bergerak dalam medan elektromagnetik eksternal
Animasi
Keterangan
Gaya Lorentz adalah gaya yang bekerja pada partikel bermuatan yang bergerak dalam medan elektromagnetik luar.
Rumus gaya Lorentz (F) pertama kali diperoleh dengan menggeneralisasi fakta eksperimen H.A. Lorentz pada tahun 1892 dan dipresentasikan dalam karya “Teori Elektromagnetik Maxwell dan Penerapannya pada Benda Bergerak.” Sepertinya:
F = qE + q, (1)
dimana q adalah partikel bermuatan;
E - kekuatan medan listrik;
B adalah vektor induksi magnet, tidak bergantung pada ukuran muatan dan kecepatan pergerakannya;
V adalah vektor kecepatan partikel bermuatan relatif terhadap sistem koordinat tempat nilai F dan B dihitung.
Suku pertama pada ruas kanan persamaan (1) adalah gaya yang bekerja pada partikel bermuatan dalam medan listrik F E =qE, suku kedua adalah gaya yang bekerja dalam medan magnet:
F m = q. (2)
Rumus (1) bersifat universal. Ini berlaku untuk medan gaya konstan dan variabel, serta untuk setiap nilai kecepatan partikel bermuatan. Ini adalah hubungan penting dalam elektrodinamika, karena memungkinkan kita menghubungkan persamaan medan elektromagnetik dengan persamaan gerak partikel bermuatan.
Dalam pendekatan nonrelativistik, gaya F, seperti gaya lainnya, tidak bergantung pada pilihan kerangka acuan inersia. Pada saat yang sama, komponen magnet gaya Lorentz F m berubah ketika berpindah dari satu kerangka acuan ke kerangka acuan lainnya karena adanya perubahan kecepatan, sehingga komponen kelistrikan F E juga akan berubah. Dalam hal ini, membagi gaya F menjadi magnet dan listrik hanya masuk akal jika sistem acuannya menunjukkan.
Dalam bentuk skalar, ekspresi (2) terlihat seperti:
Fm = qVBsina, (3)
di mana a adalah sudut antara kecepatan dan vektor induksi magnet.
Jadi, bagian magnet gaya Lorentz maksimum jika arah gerak partikel tegak lurus medan magnet (a =p /2), dan sama dengan nol jika partikel bergerak sepanjang arah medan B (a =0).
Gaya magnet F m sebanding dengan hasil kali vektor, yaitu. ia tegak lurus terhadap vektor kecepatan partikel bermuatan dan oleh karena itu tidak melakukan usaha pada muatan tersebut. Artinya dalam medan magnet konstan, di bawah pengaruh gaya magnet, hanya lintasan partikel bermuatan yang bergerak yang dibengkokkan, tetapi energinya selalu tetap sama, tidak peduli bagaimana partikel tersebut bergerak.
Arah gaya magnet untuk muatan positif ditentukan menurut perkalian vektor (Gbr. 1).
Arah gaya yang bekerja pada muatan positif dalam medan magnet
Beras. 1
Untuk muatan negatif (elektron), gaya magnet diarahkan ke arah yang berlawanan (Gbr. 2).
Arah gaya Lorentz yang bekerja pada elektron dalam medan magnet
Beras. 2
Medan magnet B diarahkan ke pembaca tegak lurus gambar. Tidak ada medan listrik.
Jika medan magnet seragam dan arahnya tegak lurus terhadap kecepatan, maka muatan bermassa m bergerak melingkar. Jari-jari lingkaran R ditentukan dengan rumus:
di mana adalah muatan spesifik partikel.
Periode revolusi suatu partikel (waktu satu revolusi) tidak bergantung pada kecepatan jika kecepatan partikel jauh lebih kecil daripada kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Jika tidak, periode orbit partikel bertambah karena bertambahnya massa relativistik.
Dalam kasus partikel non-relativistik:
di mana adalah muatan spesifik partikel.
Dalam ruang hampa dalam medan magnet seragam, jika vektor kecepatan tidak tegak lurus terhadap vektor induksi magnet (a№p /2), sebuah partikel bermuatan di bawah pengaruh gaya Lorentz (bagian magnetnya) bergerak sepanjang garis heliks dengan kecepatan konstan V. Dalam hal ini geraknya terdiri dari gerak lurus beraturan sepanjang arah medan magnet B dengan kecepatan dan seragam gerakan rotasi pada bidang yang tegak lurus bidang B dengan kecepatan (Gbr. 2).
Proyeksi lintasan suatu partikel pada bidang yang tegak lurus B adalah lingkaran dengan jari-jari:
periode revolusi partikel:
Jarak h yang ditempuh partikel dalam waktu T sepanjang medan magnet B (langkah lintasan heliks) ditentukan dengan rumus:
h = Vcos a T . (6)
Sumbu heliks berimpit dengan arah bidang B, pusat lingkaran ikut bergerak saluran listrik bidang (Gbr. 3).
Pergerakan partikel bermuatan yang terbang miring a№p /2 dalam medan magnet B
Beras. 3
Tidak ada medan listrik.
Jika medan listrik E No. 0, maka geraknya lebih kompleks.
Dalam kasus khusus, jika vektor E dan B sejajar, selama pergerakan komponen kecepatan V 11, sejajar dengan medan magnet, berubah, akibatnya tinggi nada lintasan heliks (6) berubah.
Jika E dan B tidak sejajar, maka pusat putaran partikel bergerak yang disebut penyimpangan, tegak lurus terhadap medan B. Arah penyimpangan ditentukan oleh perkalian vektor dan tidak bergantung pada tanda muatan.
Pengaruh medan magnet pada pergerakan partikel bermuatan menyebabkan redistribusi arus pada penampang konduktor, yang dimanifestasikan dalam fenomena termomagnetik dan galvanomagnetik.
Efeknya ditemukan oleh fisikawan Belanda H.A. Lorentz (1853-1928).
Karakteristik waktu
Waktu inisiasi (log ke -15 hingga -15);
Seumur hidup (log tc dari 15 hingga 15);
Waktu degradasi (log td dari -15 hingga -15);
Waktu pengembangan optimal (log tk dari -12 hingga 3).
Diagram:
Implementasi teknis dari efeknya
Implementasi teknis gaya Lorentz
Implementasi teknis percobaan untuk mengamati secara langsung pengaruh gaya Lorentz pada muatan yang bergerak biasanya cukup rumit, karena partikel bermuatan yang bersangkutan memiliki ukuran molekul yang khas. Oleh karena itu, mengamati lintasannya dalam medan magnet memerlukan evakuasi volume kerja untuk menghindari tumbukan yang merusak lintasan. Jadi, sebagai aturan, instalasi demonstrasi semacam itu tidak dibuat secara khusus. Cara termudah untuk menunjukkan hal ini adalah dengan menggunakan penganalisis massa magnetik sektor Nier standar, lihat Efek 409005, yang tindakannya sepenuhnya didasarkan pada gaya Lorentz.
Menerapkan efek
Penggunaan umum dalam teknologi adalah sensor Hall, yang banyak digunakan dalam teknologi pengukuran.
Sepiring logam atau semikonduktor ditempatkan dalam medan magnet B. Saat melewatinya arus listrik kepadatan j dalam arah tegak lurus medan magnet, timbul medan listrik transversal pada pelat, yang intensitasnya E tegak lurus terhadap kedua vektor j dan B. Berdasarkan data pengukuran, B ditemukan.
Efek ini dijelaskan oleh aksi gaya Lorentz pada muatan yang bergerak.
Magnetometer galvanomagnetik. Spektrometer massa. Akselerator partikel bermuatan. Generator magnetohidrodinamik.
literatur
1. Sivuhin D.V. Mata kuliah fisika umum - M.: Nauka, 1977. - T.3. Listrik.
2. Kamus ensiklopedis fisik - M., 1983.
3. Detlaf A.A., Yavorsky B.M. Mata kuliah Fisika.- M.: lulusan sekolah, 1989.
Kata kunci
- muatan listrik
- induksi magnetik
- sebuah medan magnet
- kekuatan medan listrik
- gaya Lorentz
- kecepatan partikel
- radius lingkaran
- periode sirkulasi
- nada jalur heliks
- elektron
- proton
- positron
Bagian ilmu alam:
Pengaruh medan magnet pada partikel bermuatan yang bergerak sangat banyak digunakan dalam teknologi.
Misalnya, pembelokan berkas elektron pada tabung gambar TV dilakukan dengan menggunakan medan magnet yang dihasilkan oleh kumparan khusus. Sejumlah perangkat elektronik menggunakan medan magnet untuk memfokuskan berkas partikel bermuatan.
Dalam instalasi eksperimental yang saat ini dibuat untuk melakukan reaksi termonuklir terkendali, aksi medan magnet pada plasma digunakan untuk memelintirnya menjadi kabel yang tidak menyentuh dinding ruang kerja. Gerak melingkar partikel bermuatan dalam medan magnet seragam dan independensi periode gerak tersebut terhadap kecepatan partikel digunakan dalam akselerator siklik partikel bermuatan - siklotron.
Gaya Lorentz juga digunakan pada perangkat yang disebut spektograf massa, yang dirancang untuk memisahkan partikel bermuatan menurut muatan spesifiknya.
Diagram spektograf massa paling sederhana ditunjukkan pada Gambar 1.
Dalam ruang 1, tempat udara dipompa keluar, terdapat sumber ion 3. Ruang tersebut ditempatkan dalam medan magnet seragam, pada setiap titik di mana induksi \(~\vec B\) tegak lurus terhadap bidang gambar dan diarahkan ke kita (pada Gambar 1 bidang ini ditandai dengan lingkaran) . Tegangan percepatan diterapkan antara elektroda A dan B, di bawah pengaruh ion-ion yang dipancarkan dari sumber dipercepat dan pada kecepatan tertentu memasuki medan magnet yang tegak lurus terhadap garis induksi. Bergerak dalam medan magnet dalam busur lingkaran, ion-ion jatuh pada pelat fotografi 2, yang memungkinkan untuk menentukan jari-jari R busur ini. Mengetahui induksi medan magnet DI DALAM dan kecepatan υ ion, sesuai dengan rumus
\(~\frac q m = \frac (v)(RB)\)
muatan spesifik ion dapat ditentukan. Dan jika muatan ion diketahui, massanya dapat dihitung.
literatur
Aksenovich L. A. Fisika di sekolah menengah atas: Teori. Tugas. Tes: Buku Ajar. tunjangan bagi lembaga penyelenggara pendidikan umum. lingkungan hidup, pendidikan / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K.S.Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyakhavanne, 2004. - Hal.328.
Mengapa sejarah mencantumkan beberapa ilmuwan di halamannya dengan huruf emas, sementara yang lain terhapus tanpa jejak? Setiap orang yang mendalami ilmu pengetahuan wajib meninggalkan jejaknya di dalamnya. Berdasarkan ukuran dan kedalaman jejak inilah sejarah menilai. Dengan demikian, Ampere dan Lorentz memberikan kontribusi yang sangat berharga bagi perkembangan fisika, yang memungkinkan tidak hanya berkembang teori-teori ilmiah, tetapi menerima signifikan nilai praktis. Bagaimana telegraf muncul? Apa itu elektromagnet? Pelajaran hari ini akan menjawab semua pertanyaan ini.
Bagi ilmu pengetahuan, ilmu yang diperoleh sangatlah berharga, yang nantinya dapat ditemukan sendiri penggunaan praktis. Penemuan-penemuan baru tidak hanya memperluas wawasan penelitian, tetapi juga menimbulkan pertanyaan dan permasalahan baru.
Mari kita soroti yang utama Penemuan Ampere di bidang elektromagnetisme.
Pertama, ini adalah interaksi konduktor dengan arus. Dua penghantar sejajar yang berarus akan tarik-menarik satu sama lain jika arus di dalamnya searah, dan tolak-menolak jika arus di dalamnya berlawanan arah (Gbr. 1).
Beras. 1. Konduktor pembawa arus
hukum Ampere berbunyi:
Gaya interaksi antara dua penghantar sejajar sebanding dengan hasil kali arus dalam penghantar, sebanding dengan panjang penghantar tersebut, dan berbanding terbalik dengan jarak antara keduanya.
Kekuatan interaksi antara dua konduktor paralel,
Besarnya arus dalam konduktor,
− panjang konduktor,
Jarak antar konduktor,
Konstanta magnetik.
Penemuan hukum ini memungkinkan untuk memasukkan ke dalam satuan pengukuran besaran saat ini yang belum ada sebelum waktu itu. Jadi, jika kita melanjutkan dari definisi kuat arus sebagai perbandingan jumlah muatan yang ditransfer persilangan konduktor per satuan waktu, maka diperoleh besaran yang pada dasarnya tidak dapat diukur, yaitu banyaknya muatan yang dipindahkan melalui penampang konduktor. Berdasarkan definisi ini, kita tidak dapat memperkenalkan satuan arus. Hukum Ampere memungkinkan kita membuat hubungan antara besaran arus dalam konduktor dan besaran yang dapat diukur secara eksperimental: gaya mekanik dan jarak. Dengan demikian, kita dapat mempertimbangkan satuan arus - 1 A (1 ampere).
Arus satu ampere - ini adalah arus di mana dua konduktor paralel homogen yang terletak dalam ruang hampa pada jarak satu meter dari satu sama lain berinteraksi dengan gaya Newton.
Hukum interaksi arus - dua konduktor paralel dalam ruang hampa, yang diameternya banyak jarak yang lebih sedikit di antara keduanya, berinteraksi dengan gaya yang berbanding lurus dengan produk arus pada konduktor tersebut dan berbanding terbalik dengan jarak di antara keduanya.
Penemuan Ampere yang lain adalah hukum aksi medan magnet pada penghantar berarus. Hal ini dinyatakan terutama dalam aksi medan magnet pada kumparan atau bingkai dengan arus. Jadi, suatu kumparan yang berarus dalam medan magnet dikenai momen gaya yang cenderung memutar kumparan tersebut sehingga bidangnya tegak lurus terhadap garis-garis medan magnet. Sudut putaran kumparan berbanding lurus dengan besarnya arus dalam kumparan. Jika medan magnet luar pada kumparan konstan, maka nilai modul induksi magnet juga konstan. Luas kumparan pada arus yang tidak terlalu tinggi juga dapat dianggap konstan, oleh karena itu memang kuat arus sama dengan hasil kali momen gaya-gaya yang memutar kumparan dengan arus dengan nilai konstan tertentu di bawah kondisi konstan.
– kekuatan saat ini,
– momen gaya yang melepaskan kumparan dengan arus.
Akibatnya, kekuatan arus dapat diukur dengan sudut rotasi bingkai, yang diimplementasikan dalam alat pengukur– amperemeter (Gbr. 2).
Beras. 2. Ammeter
Setelah menemukan pengaruh medan magnet pada konduktor pembawa arus, Ampere menyadari bahwa penemuan ini dapat digunakan untuk membuat konduktor bergerak dalam medan magnet. Jadi, magnetisme bisa diubah menjadi gerakan mekanis- membuat mesin. Salah satu yang pertama beroperasi dengan arus searah adalah motor listrik (Gbr. 3), dibuat pada tahun 1834 oleh insinyur listrik Rusia B.S. Jacobi.
Beras. 3. Mesin
Mari kita pertimbangkan model motor yang disederhanakan, yang terdiri dari bagian stasioner dengan magnet terpasang padanya - stator. Di dalam stator terdapat kerangka bahan penghantar yang disebut rotor yang dapat berputar bebas. Agar arus listrik dapat mengalir melalui rangka, dihubungkan ke terminal menggunakan kontak geser (Gbr. 4). Jika Anda menghubungkan motor ke sumber arus searah ke dalam rangkaian dengan voltmeter, kemudian ketika rangkaian ditutup, rangka yang diberi arus akan mulai berputar.
Beras. 4. Prinsip pengoperasian motor listrik
Pada tahun 1269, naturalis Perancis Pierre de Maricourt menulis sebuah karya berjudul “Letter on the Magnet.” Tujuan utama Pierre de Maricourt adalah menciptakan mesin gerak abadi yang akan ia gunakan properti yang luar biasa magnet. Tidak diketahui seberapa sukses usahanya, namun yang pasti Jacobi menggunakan motor listriknya untuk menggerakkan perahu tersebut, dan ia berhasil mempercepatnya hingga kecepatan 4,5 km/jam.
Perlu disebutkan satu perangkat lagi yang bekerja berdasarkan hukum Ampere. Ampere menunjukkan bahwa kumparan pembawa arus berperilaku seperti magnet permanen. Artinya adalah mungkin untuk mendesain elektromagnet– perangkat yang dayanya dapat disesuaikan (Gbr. 5).
Beras. 5. Elektromagnet
Ampere-lah yang mengemukakan gagasan bahwa dengan menggabungkan konduktor dan jarum magnet, seseorang dapat membuat perangkat yang mengirimkan informasi melalui jarak jauh.
Beras. 6. Telegraf listrik
Ide telegraf (Gbr. 6) muncul pada bulan-bulan pertama setelah ditemukannya elektromagnetisme.
Namun, telegraf elektromagnetik menyebar luas setelah Samuel Morse menciptakan perangkat yang lebih nyaman dan, yang paling penting, mengembangkan alfabet biner yang terdiri dari titik dan garis, yang disebut kode Morse.
Dari peralatan telegraf pemancar, dengan menggunakan “kunci Morse” yang menutup rangkaian listrik, sinyal listrik pendek atau panjang yang sesuai dengan titik atau garis kode Morse dihasilkan di jalur komunikasi. Pada peralatan telegraf penerima (alat tulis), ketika sinyal (arus listrik) mengalir, sebuah elektromagnet menarik sebuah jangkar, yang mana roda tulis logam atau pencungkil dihubungkan secara kaku, yang meninggalkan bekas tinta pada pita kertas (Gbr. 1). 7).
Beras. 7. Diagram pengoperasian telegraf
Matematikawan Gauss, ketika dia mengetahui penelitian Ampere, mengusulkan untuk membuat meriam asli (Gbr. 8), yang bekerja berdasarkan prinsip aksi medan magnet pada bola besi - proyektil.
Beras. 8. Pistol Gauss
Perlu memperhatikan era sejarah di mana penemuan-penemuan tersebut dilakukan. Pada paruh pertama abad ke-19, Eropa mengambil langkah pesat dalam perjalanan revolusi industri - ini adalah masa subur bagi penemuan penelitian ilmiah dan penerapannya yang cepat ke dalam praktik. Ampere tidak diragukan lagi memberikan kontribusi yang signifikan terhadap proses ini, memberikan peradaban elektromagnet, motor listrik, dan telegraf, yang masih digunakan secara luas hingga saat ini.
Mari kita soroti penemuan utama Lorenz.
Lorentz menetapkan bahwa medan magnet bekerja pada partikel yang bergerak di dalamnya, menyebabkannya bergerak sepanjang busur lingkaran:
Gaya Lorentz merupakan gaya sentripetal yang tegak lurus arah kecepatan. Pertama-tama, hukum yang ditemukan oleh Lorentz memungkinkan kita untuk menentukan hal tersebut karakteristik yang paling penting, sebagai rasio muatan terhadap massa - biaya tertentu.
Nilai muatan spesifik adalah nilai unik untuk setiap partikel bermuatan, yang memungkinkannya diidentifikasi, baik itu elektron, proton, atau partikel lainnya. Dengan demikian, para ilmuwan mendapat alat penelitian yang ampuh. Misalnya, Rutherford mampu menganalisis radiasi radioaktif dan mengidentifikasi komponen-komponennya, di antaranya terdapat partikel alfa - inti atom helium - dan partikel beta - elektron.
Pada abad kedua puluh, akselerator muncul, yang pengoperasiannya didasarkan pada fakta bahwa partikel bermuatan dipercepat dalam medan magnet. Medan magnet membelokkan lintasan partikel (Gbr. 9). Arah pembengkokan jejak memungkinkan seseorang untuk menilai tanda muatan partikel; Dengan mengukur jari-jari lintasan, Anda dapat menentukan kecepatan suatu partikel jika massa dan muatannya diketahui.
Beras. 9. Kelengkungan lintasan partikel dalam medan magnet
Large Hadron Collider dikembangkan berdasarkan prinsip ini (Gbr. 10). Berkat penemuan Lorenz, ilmu pengetahuan mendapat keuntungan mendasar alat baru Untuk penelitian fisik, membuka jalan menuju dunia partikel elementer.
Beras. 10. Penumbuk Hadron Besar
Untuk mengkarakterisasi pengaruh ilmuwan terhadap kemajuan teknologi, mari kita ingat bahwa dari ekspresi gaya Lorentz dapat disimpulkan bahwa jari-jari kelengkungan lintasan suatu partikel yang bergerak dalam medan magnet konstan dapat dihitung. Dalam kondisi eksternal yang konstan, jari-jari ini bergantung pada massa partikel, kecepatan, dan muatannya. Dengan demikian, kita mendapat kesempatan untuk mengklasifikasikan partikel bermuatan menurut parameter ini dan, oleh karena itu, kita dapat menganalisis campuran apa pun. Jika campuran zat dalam wujud gas diionisasi, dipercepat, dan diarahkan ke medan magnet, maka partikel-partikel tersebut akan mulai bergerak sepanjang busur lingkaran dengan jari-jari berbeda - partikel akan meninggalkan medan pada titik yang berbeda, dan yang tersisa hanyalah memperbaiki titik keberangkatan ini, yang diwujudkan dengan menggunakan layar yang dilapisi fosfor, yang bersinar ketika partikel bermuatan menghantamnya. Inilah cara kerjanya penganalisa massa(Gbr. 11) . Alat analisa massa banyak digunakan dalam fisika dan kimia untuk menganalisis komposisi campuran.
Beras. 11. Penganalisis massa
Ini tidak semua perangkat teknis yang bekerja berdasarkan perkembangan dan penemuan Ampere dan Lorentz, karena pengetahuan ilmiah cepat atau lambat tidak lagi menjadi milik eksklusif para ilmuwan dan menjadi milik peradaban, sementara itu diwujudkan dalam berbagai perangkat teknis, yang membuat hidup kita lebih nyaman.
Bibliografi
- Kasyanov V.A., Fisika kelas 11: Buku Teks. untuk pendidikan umum institusi. - Edisi ke-4, stereotip. - M.: Bustard, 2004. - 416 hal.: sakit., 8 l. warna pada
- Gendenstein L.E., Dick Yu.I., Fisika 11. - M.: Mnemosyne.
- Tikhomirova S.A., Yarovsky B.M., Fisika 11. - M.: Mnemosyne.
- Portal internet “Chip dan Dip” ().
- Portal internet "Perpustakaan Kota Kiev" ().
- Portal Internet "Institut pendidikan jarak jauh» ().
Pekerjaan rumah
1. Kasyanov V.A., Fisika kelas 11: Buku Teks. untuk pendidikan umum institusi. - Edisi ke-4, stereotip. - M.: Bustard, 2004. - 416 hal.: sakit., 8 l. warna di, st. 88, v. 1-5.
2. Dalam ruang awan yang ditempatkan pada medan magnet seragam dengan induksi 1,5 Tesla, sebuah partikel alfa yang terbang tegak lurus garis induksi meninggalkan jejak berupa busur lingkaran berjari-jari 2,7 cm. Tentukan momentum dan energi kinetik partikel. Massa partikel alfa adalah 6,7∙10 -27 kg, dan muatannya 3,2∙10 -19 C.
3. Spektograf massa. Seberkas ion yang dipercepat dengan beda potensial 4 kV terbang menuju medan magnet seragam dengan induksi magnet 80 mT tegak lurus garis induksi magnet. Berkas tersebut terdiri dari dua jenis ion dengan berat molekul 0,02 kg/mol dan 0,022 kg/mol. Semua ion mempunyai muatan 1,6 ∙ 10 -19 C. Ion-ion terbang keluar medan dalam dua berkas (Gbr. 5). Temukan jarak antara berkas ion yang terbang keluar.
4. *Dengan menggunakan motor listrik DC, beban diangkat pada sebuah kabel. Jika motor listrik dilepas dari sumber tegangan dan terjadi hubungan pendek pada rotor, beban akan turun dengan kecepatan konstan. Jelaskan fenomena ini. Energi potensial beban berbentuk apa?