O que é comumente chamado de força de Lorentz. Princípios gerais do dispositivo

A força exercida por um campo magnético sobre uma partícula eletricamente carregada em movimento.

onde q é a carga da partícula;

V - velocidade de carga;

a é o ângulo entre o vetor de velocidade de carga e o vetor de indução magnética.

A direção da força de Lorentz é determinada de acordo com a regra da mão esquerda:

Se você colocar mão esquerda de modo que a componente do vetor de indução perpendicular à velocidade entre na palma da mão e os quatro dedos estejam localizados na direção da velocidade de movimento da carga positiva (ou contra a direção da velocidade da carga negativa), então o dobrado dedão indicará a direção da força de Lorentz:

Como a força de Lorentz é sempre perpendicular à velocidade da carga, ela não realiza trabalho (ou seja, não altera o valor da velocidade da carga e sua energia cinética).

Se uma partícula carregada se move paralelamente às linhas do campo magnético, então Fl = 0, e a carga no campo magnético se move de maneira uniforme e retilínea.

Se uma partícula carregada se move perpendicularmente às linhas do campo magnético, então a força de Lorentz é centrípeta:

e cria uma aceleração centrípeta igual a:

Neste caso, a partícula se move em círculo.

De acordo com a segunda lei de Newton: a força de Lorentz é igual ao produto da massa da partícula pela aceleração centrípeta:

então o raio do círculo:

e o período de revolução da carga em um campo magnético:

Porque eletricidade representa o movimento ordenado de cargas, então a ação de um campo magnético em um condutor que transporta corrente é o resultado de sua ação em cargas móveis individuais. Se introduzirmos um condutor condutor de corrente em um campo magnético (Fig. 96a), veremos que como resultado da adição dos campos magnéticos do ímã e do condutor, o campo magnético resultante aumentará em um lado do condutor (no desenho acima) e o campo magnético enfraquecerá no outro lado do condutor (no desenho abaixo). Como resultado da ação de dois campos magnéticos, as linhas magnéticas se curvarão e, tentando se contrair, empurrarão o condutor para baixo (Fig. 96, b).

A direção da força que atua sobre um condutor que transporta corrente em um campo magnético pode ser determinada pela “regra da mão esquerda”. Se a mão esquerda for colocada em um campo magnético de modo que linhas magnéticas, saindo do pólo norte, como se estivesse entrando na palma da mão, e os quatro dedos estendidos coincidissem com a direção da corrente no condutor, então o polegar da mão dobrado mostrará a direção da força. A força Ampere atuando em um elemento do comprimento do condutor depende: da magnitude da indução magnética B, da magnitude da corrente no condutor I, do elemento do comprimento do condutor e do seno do ângulo a entre o direção do elemento do comprimento do condutor e a direção do campo magnético.

Esta dependência pode ser expressa pela fórmula:

Para um condutor reto de comprimento finito, colocado perpendicularmente à direção de um campo magnético uniforme, a força que atua sobre o condutor será igual a:

A partir da última fórmula determinamos a dimensão da indução magnética.

Como a dimensão da força é:

ou seja, a dimensão da indução é a mesma que obtivemos da lei de Biot e Savart.

Tesla (unidade de indução magnética)

Tesla, unidade de indução magnética Sistema internacional unidades, igual indução magnética, em que o fluxo magnético através corte transversalárea 1 eu 2 é igual a 1 Weber. Nomeado em homenagem a N. Tesla. Designações: Russo tl, internacional T. 1 tl = 104 gs(Gauss).

Torque magnético, momento de dipolo magnético- a principal quantidade que caracteriza as propriedades magnéticas de uma substância. O momento magnético é medido em A⋅m 2 ou J/T (SI), ou erg/Gs (SGS), 1 erg/Gs = 10 -3 J/T. A unidade específica do momento magnético elementar é o magneton de Bohr. No caso de um circuito plano com corrente elétrica, o momento magnético é calculado como

onde é a intensidade da corrente no circuito, é a área do circuito, é o vetor unitário da normal ao plano do circuito. A direção do momento magnético é geralmente encontrada de acordo com a regra da verruma: se você girar a alça da verruma na direção da corrente, a direção do momento magnético coincidirá com a direção do movimento de translação da verruma.

Para um circuito fechado arbitrário, o momento magnético é encontrado a partir de:

onde está o vetor raio desenhado da origem até o elemento de comprimento do contorno

No caso geral de distribuição arbitrária de corrente em um meio:

onde está a densidade de corrente no elemento de volume.

Portanto, um torque atua em um circuito que transporta corrente em um campo magnético. O contorno é orientado em um determinado ponto do campo apenas de uma maneira. Vamos considerar a direção positiva da normal como a direção do campo magnético em um determinado ponto. O torque é diretamente proporcional à corrente EU, área de contorno S e o seno do ângulo entre a direção do campo magnético e a normal.

Aqui M - torque , ou momento de poder , - momento magnético circuito (da mesma forma - o momento elétrico do dipolo).

Em um campo não homogêneo (), a fórmula é válida se o tamanho do contorno é bem pequeno(então o campo pode ser considerado aproximadamente uniforme dentro do contorno). Conseqüentemente, o circuito com corrente ainda tende a girar de modo que seu momento magnético seja direcionado ao longo das linhas do vetor.

Mas, além disso, a força resultante atua no circuito (no caso de um campo uniforme e . Esta força atua no circuito com corrente ou em ímã permanente com um momento e os puxa para uma região de um campo magnético mais forte.
Trabalhe na movimentação de um circuito com corrente em um campo magnético.

É fácil provar que o trabalho realizado para mover um circuito condutor de corrente num campo magnético é igual a , onde e são os fluxos magnéticos através da área de contorno no final e posições iniciais. Esta fórmula é válida se a corrente no circuito é constante, ou seja Ao movimentar o circuito, o fenômeno da indução eletromagnética não é levado em consideração.

A fórmula também é válida para grandes circuitos num campo magnético altamente heterogêneo (desde que eu= const).

Finalmente, se o circuito com corrente não for deslocado, mas o campo magnético for alterado, ou seja, mude o fluxo magnético através da superfície coberta pelo circuito de valor para então para isso você precisa fazer o mesmo trabalho . Este trabalho é chamado de trabalho de alteração do fluxo magnético associado ao circuito. Fluxo vetorial de indução magnética (fluxo magnético) através da área dS é uma quantidade física escalar que é igual a

onde B n =Вcosα é a projeção do vetor EMà direção da normal ao local dS (α é o ângulo entre os vetores n E EM), d S=dS n- um vetor cujo módulo é igual a dS e sua direção coincide com a direção da normal n para o site. Vetor de fluxo EM pode ser positivo ou negativo dependendo do sinal de cosα (definido escolhendo a direção positiva da normal n). Vetor de fluxo EM geralmente associado a um circuito através do qual a corrente flui. Neste caso, especificamos o sentido positivo da normal ao contorno: ela está associada à corrente pela regra do parafuso direito. Isso significa que o fluxo magnético criado pelo circuito através da superfície limitada por ele mesmo é sempre positivo.

O fluxo do vetor de indução magnética Ф B através de uma dada superfície arbitrária S é igual a

(2)

Para um campo uniforme e uma superfície plana localizada perpendicularmente ao vetor EM, B n =B=const e

Esta fórmula dá a unidade de fluxo magnético Weber(Wb): 1 Wb é um fluxo magnético que passa por uma superfície plana com área de 1 m 2, que está localizada perpendicularmente a um campo magnético uniforme e cuja indução é de 1 T (1 Wb = 1 T.m 2).

Teorema de Gauss para o campo B: o fluxo do vetor de indução magnética através de qualquer superfície fechada é zero:

(3)

Este teorema é um reflexo do fato de que sem cargas magnéticas, pelo que as linhas de indução magnética não têm começo nem fim e são fechadas.

Portanto, para fluxos de vetores EM E E através de uma superfície fechada nos campos de vórtice e potencial, obtêm-se diferentes fórmulas.

Como exemplo, vamos encontrar o fluxo vetorial EM através do solenóide. A indução magnética de um campo uniforme dentro de um solenóide com núcleo com permeabilidade magnética μ é igual a

O fluxo magnético através de uma volta do solenóide com área S é igual a

e o fluxo magnético total, que está ligado a todas as espiras do solenóide e é denominado ligação de fluxo,

Junto com a força Ampere, a interação de Coulomb e os campos eletromagnéticos, o conceito de força de Lorentz é frequentemente encontrado na física. Este fenômeno é um dos fundamentais em engenharia elétrica e eletrônica, entre outros. Afeta cargas que se movem em um campo magnético. Neste artigo examinaremos de forma breve e clara o que é a força de Lorentz e onde ela é aplicada.

Definição

Quando os elétrons se movem ao longo de um condutor, um campo magnético aparece ao seu redor. Ao mesmo tempo, se você colocar um condutor em um campo magnético transversal e movê-lo, surgirá uma fem de indução eletromagnética. Se uma corrente flui através de um condutor localizado em um campo magnético, a força Ampere atua sobre ela.

Seu valor depende da corrente que flui, do comprimento do condutor, da magnitude do vetor de indução magnética e do seno do ângulo entre as linhas do campo magnético e o condutor. É calculado usando a fórmula:

A força considerada é parcialmente semelhante à discutida acima, mas não atua sobre um condutor, mas sobre uma partícula carregada em movimento em um campo magnético. A fórmula se parece com:

Importante! A força de Lorentz (Fl) atua sobre um elétron que se move em um campo magnético e sobre um condutor - Ampere.

A partir das duas fórmulas fica claro que tanto no primeiro como no segundo caso, quanto mais próximo o seno do ângulo alfa estiver de 90 graus, maior será o efeito sobre o condutor ou carga por Fa ou Fl, respectivamente.

Assim, a força de Lorentz caracteriza não uma mudança na velocidade, mas o efeito do campo magnético sobre um elétron carregado ou íon positivo. Quando exposto a eles, Fl não realiza nenhum trabalho. Conseqüentemente, é a direção da velocidade da partícula carregada que muda, e não a sua magnitude.

Quanto à unidade de medida da força de Lorentz, como no caso de outras forças na física, utiliza-se uma quantidade como Newton. Seus componentes:

Como a força de Lorentz é dirigida?

Para determinar a direção da força de Lorentz, como acontece com a força de Ampere, a regra da mão esquerda funciona. Isso significa que, para entender para onde está direcionado o valor Fl, é necessário abrir a palma da mão esquerda para que as linhas de indução magnética entrem em sua mão, e os quatro dedos estendidos indiquem a direção do vetor velocidade. Em seguida, o polegar, dobrado em ângulo reto com a palma da mão, indica a direção da força de Lorentz. Na imagem abaixo você pode ver como determinar a direção.

Atenção! A direção da ação de Lorentz é perpendicular ao movimento das partículas e às linhas de indução magnética.

Neste caso, para ser mais preciso, para partículas carregadas positiva e negativamente, a direção dos quatro dedos desdobrados é importante. A regra da mão esquerda descrita acima é formulada para uma partícula positiva. Se estiver carregado negativamente, então as linhas de indução magnética deverão ser direcionadas não para a palma da mão aberta, mas para suas costas, e a direção do vetor Fl será oposta.

Agora vamos contar em palavras simples, o que esse fenômeno nos proporciona e qual o impacto real que ele tem nas cobranças. Suponhamos que o elétron se mova em um plano perpendicular à direção das linhas de indução magnética. Já mencionamos que Fl não afeta a velocidade, mas apenas altera a direção do movimento das partículas. Então a força de Lorentz terá um efeito centrípeto. Isso está refletido na figura abaixo.

Aplicativo

De todas as áreas onde a força de Lorentz é utilizada, uma das maiores é o movimento de partículas no campo magnético terrestre. Se considerarmos nosso planeta como um grande ímã, então as partículas localizadas perto do norte pólos magnéticos, faça um movimento acelerado em espiral. Como resultado, eles colidem com átomos da atmosfera superior e vemos a aurora boreal.

No entanto, existem outros casos em que este fenómeno se aplica. Por exemplo:

Tubos de raios catódicos. Em seus sistemas de deflexão eletromagnética. Os CRTs têm sido usados há mais de 50 anos consecutivos em vários dispositivos, desde o osciloscópio mais simples até televisores formas diferentes e tamanhos. É curioso que quando se trata de reprodução de cores e trabalho gráfico, alguns ainda utilizam monitores CRT.
Máquinas elétricas – geradores e motores. Embora seja mais provável que a força Ampere atue aqui. Mas essas quantidades podem ser consideradas adjacentes. No entanto, estes são dispositivos complexos durante a operação dos quais se observa a influência de muitos fenômenos físicos.
Em aceleradores de partículas carregadas para definir suas órbitas e direções.

Conclusão

Vamos resumir e delinear os quatro pontos principais deste artigo em linguagem simples:

A força de Lorentz atua sobre partículas carregadas que se movem em um campo magnético. Isso decorre da fórmula básica.
É diretamente proporcional à velocidade da partícula carregada e à indução magnética.
Não afeta a velocidade das partículas.
Afeta a direção da partícula.

Seu papel é bastante grande nas áreas “elétricas”. Um especialista não deve perder de vista as informações teóricas básicas sobre as leis físicas fundamentais. Este conhecimento será útil, assim como para quem lida trabalho científico, design e apenas para desenvolvimento geral.

Agora você sabe o que é a força de Lorentz, a que ela é igual e como atua nas partículas carregadas. Se você tiver alguma dúvida, pergunte nos comentários abaixo do artigo!

Materiais

Leis básicas da Dinâmica. Leis de Newton - primeiro, segundo, terceiro. O princípio da relatividade de Galileu. A lei da gravitação universal. Gravidade. Forças elásticas. Peso. Forças de atrito - repouso, deslizamento, rolamento + atrito em líquidos e gases.

Cinemática. Conceitos Básicos. Movimento linear uniforme. Movimento uniformemente acelerado. Movimento uniforme em torno de um círculo. Sistema de referência. Trajetória, deslocamento, trajetória, equação de movimento, velocidade, aceleração, relação entre velocidade linear e angular.

Mecanismos simples. Alavanca (alavanca do primeiro tipo e alavanca do segundo tipo). Bloco (bloco fixo e bloco móvel). Plano inclinado. Pressão hidráulica. A regra de ouro da mecânica

Leis de conservação em mecânica. Trabalho mecânico, potência, energia, lei da conservação do momento, lei da conservação da energia, equilíbrio dos sólidos

Movimento circular. Equação de movimento em círculo. Velocidade angular. Normal = aceleração centrípeta. Período, frequência de circulação (rotação). Relação entre velocidade linear e angular

Vibrações mecânicas. Vibrações livres e forçadas. Vibrações harmônicas. Vibrações elásticas. Pêndulo matemático. Transformações de energia durante oscilações harmônicas

Ondas mecânicas. Velocidade e comprimento de onda. Equação de onda viajante. Fenômenos ondulatórios (difração, interferência...)

Mecânica dos fluidos e aeromecânica. Pressão, pressão hidrostática. Lei de Pascal. Equação básica da hidrostática. Embarcações comunicantes. Lei de Arquimedes. Condições de navegação tel. O fluxo de fluido. Lei de Bernoulli. Fórmula de Torricelli

Física molecular. Disposições básicas das TIC. Conceitos e fórmulas básicas. Propriedades de um gás ideal. Equação MKT básica. Temperatura. Equação de estado de um gás ideal. Equação de Mendeleev-Clayperon. Leis dos gases - isotérmica, isóbara, isócora

Óptica de ondas. Teoria da luz partícula-onda. Propriedades ondulatórias da luz. Dispersão da luz. Interferência de luz. Princípio de Huygens-Fresnel. Difração da luz. Polarização da luz

Termodinâmica. Energia interna. Trabalho. Quantidade de calor. Fenômenos térmicos. Primeira lei da termodinâmica. Aplicação da primeira lei da termodinâmica a vários processos. Equação de equilíbrio térmico. Segunda lei da termodinâmica. Motores térmicos

Eletrostática. Conceitos Básicos. Carga elétrica. Lei da conservação da carga elétrica. Lei de Coulomb. Princípio da superposição. A teoria da ação de curto alcance. Potencial de campo elétrico. Capacitor.

Corrente elétrica constante. Lei de Ohm para uma seção de um circuito. Operação e alimentação CC. Lei de Joule-Lenz. Lei de Ohm para um circuito completo. Lei da eletrólise de Faraday. Circuitos elétricos – conexão serial e paralela. Regras de Kirchhoff.

Vibrações eletromagnéticas. Oscilações eletromagnéticas livres e forçadas. Circuito oscilatório. Corrente elétrica alternada. Capacitor em um circuito de corrente alternada. Um indutor (“solenóide”) em um circuito de corrente alternada.

Ondas eletromagnéticas. O conceito de onda eletromagnética. Propriedades das ondas eletromagnéticas. Fenômenos ondulatórios

Você está aqui agora: Um campo magnético. Vetor de indução magnética. A regra do verruma. Lei de Ampere e força de Ampere. Força de Lorentz. Regra da mão esquerda. Indução eletromagnética, fluxo magnético, regra de Lenz, lei da indução eletromagnética, autoindução, energia do campo magnético

A física quântica. Hipótese de Planck. O fenômeno do efeito fotoelétrico. Equação de Einstein. Fótons. Postulados quânticos de Bohr.

Elementos da teoria da relatividade. Postulados da teoria da relatividade. Relatividade da simultaneidade, distâncias, intervalos de tempo. Lei relativística de adição de velocidades. Dependência da massa da velocidade. A lei básica da dinâmica relativística...

Erros de medições diretas e indiretas. Erro absoluto e relativo. Erros sistemáticos e aleatórios. Desvio padrão (erro). Tabela para determinação dos erros de medições indiretas de diversas funções.

MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E CIÊNCIA

FEDERAÇÃO RUSSA

ORÇAMENTO DO ESTADO FEDERAL INSTITUIÇÃO DE ENSINO SUPERIOR PROFISSIONAL

"UNIVERSIDADE ESTADUAL DE KURGAN"

ABSTRATO

Na disciplina "Física" Tópico: "Aplicação da força de Lorentz"

Concluído por: Aluno do grupo T-10915 Logunova M.V.

Professor Vorontsov B.S.

Kurgan 2016

Introdução 3

1. Uso da força 4 de Lorentz

1.1. Dispositivos de feixe de elétrons 4

1.2 Espectrometria de Massa 5

1.3 Gerador MHD 7

1.4 Ciclotron 8

Conclusão 10

Referências 11

Introdução

Força de Lorentz- a força com a qual o campo eletromagnético, de acordo com a eletrodinâmica clássica (não quântica), atua sobre uma partícula pontual carregada. Às vezes, a força de Lorentz é chamada de força que atua em um objeto em movimento com velocidade υ cobrar q apenas do lado do campo magnético, muitas vezes com força total - do lado do campo eletromagnético em geral, ou seja, do lado do elétrico E immagnético B Campos.

No Sistema Internacional de Unidades (SI) é expresso como:

F eu = qυ B sinα

Seu nome é uma homenagem ao físico holandês Hendrik Lorentz, que derivou uma expressão para esta força em 1892. Três anos antes de Lorenz, a expressão correta foi encontrada por O. Heaviside.

A manifestação macroscópica da força de Lorentz é a força Ampere.

Usando a força de Lorentz

O efeito exercido por um campo magnético sobre partículas carregadas em movimento é amplamente utilizado em tecnologia.

A principal aplicação da força de Lorentz (mais precisamente, seu caso especial - a força Ampere) são máquinas elétricas (motores elétricos e geradores). A força de Lorentz é amplamente utilizada em dispositivos eletrônicos para influenciar partículas carregadas (elétrons e às vezes íons), por exemplo, na televisão tubos de raios catódicos, V. espectrometria de massa E Geradores MHD.

Além disso, nas instalações experimentais atualmente criadas para a realização de uma reação termonuclear controlada, a ação de um campo magnético sobre o plasma é utilizada para torcê-lo em um cordão que não toca as paredes da câmara de trabalho. O movimento circular de partículas carregadas em um campo magnético uniforme e a independência do período de tal movimento da velocidade da partícula são usados em aceleradores cíclicos de partículas carregadas - ciclotrons.

1. Dispositivos de feixe de elétrons

Dispositivos de feixe de elétrons (EBDs) são uma classe de dispositivos eletrônicos a vácuo que utilizam um fluxo de elétrons, concentrado na forma de um único feixe ou feixe de feixes, que são controlados tanto em intensidade (corrente) quanto em posição no espaço, e interagem com um alvo espacial estacionário (tela) do dispositivo. O principal escopo de aplicação do ELP é a conversão de informação óptica em sinais elétricos e a conversão reversa do sinal elétrico em um sinal óptico - por exemplo, em uma imagem visível de televisão.

A classe de dispositivos de raios catódicos não inclui tubos de raios X, fotocélulas, fotomultiplicadores, dispositivos de descarga de gás (dekatrons) e tubos receptores e amplificadores de elétrons (tetrodos de feixe, indicadores elétricos de vácuo, lâmpadas com emissão secundária, etc.) com um forma de feixe de correntes.

Um dispositivo de feixe de elétrons consiste em pelo menos três partes principais:

Um holofote eletrônico (arma) forma um feixe de elétrons (ou um feixe de raios, por exemplo, três feixes em um tubo de imagem colorido) e controla sua intensidade (corrente);

O sistema de deflexão controla a posição espacial do feixe (seu desvio do eixo do foco);

O alvo (tela) do ELP receptor converte a energia do feixe no fluxo luminoso de uma imagem visível; o alvo do ELP transmissor ou armazenado acumula um relevo de potencial espacial, lido por um feixe de elétrons de varredura

Arroz. 1 dispositivo CRT

Princípios gerais do dispositivo.

Um vácuo profundo é criado no cilindro CRT. Para criar um feixe de elétrons, é usado um dispositivo chamado canhão de elétrons. O cátodo, aquecido pelo filamento, emite elétrons. Ao alterar a tensão no eletrodo de controle (modulador), é possível alterar a intensidade do feixe de elétrons e, consequentemente, o brilho da imagem. Depois de sair da arma, os elétrons são acelerados pelo ânodo. Em seguida, o feixe passa por um sistema de deflexão, que pode alterar a direção do feixe. Os CRTs de televisão usam um sistema de deflexão magnética, pois fornece grandes ângulos de deflexão. Os CRTs oscilográficos utilizam um sistema de deflexão eletrostática, pois proporciona maior desempenho. O feixe de elétrons atinge uma tela coberta com fósforo. Bombardeado por elétrons, o fósforo brilha e um ponto de brilho variável que se move rapidamente cria uma imagem na tela.

2 espectrometria de massa

Arroz. 2

A força de Lorentz também é usada em instrumentos chamados espectrógrafos de massa, que são projetados para separar partículas carregadas de acordo com suas cargas específicas.

Espectrometria de massa(espectroscopia de massa, espectrografia de massa, análise espectral de massa, análise espectrométrica de massa) - um método para estudar uma substância baseado na determinação da razão massa-carga de íons formados durante a ionização de componentes de interesse da amostra. Uma das formas mais poderosas de identificação qualitativa de substâncias, que também permite a determinação quantitativa. Podemos dizer que a espectrometria de massa é a “pesagem” das moléculas de uma amostra.

O diagrama do espectrógrafo de massa mais simples é mostrado na Figura 2.

Na câmara 1, da qual o ar foi bombeado, existe uma fonte de íons 3. A câmara é colocada em um campo magnético uniforme, em cada ponto do qual a indução B⃗B→ é perpendicular ao plano do desenho e direcionada para nós (na Figura 1 este campo é indicado por círculos). Uma tensão aceleradora é aplicada entre os eletrodos A e B, sob a influência da qual os íons emitidos pela fonte são acelerados e a uma certa velocidade entram no campo magnético perpendicular às linhas de indução. Movendo-se em um campo magnético ao longo de um arco circular, os íons caem sobre a placa fotográfica 2, o que permite determinar o raio R desse arco. Conhecendo a indução do campo magnético B e a velocidade υ dos íons, segundo a fórmula

(1)

a carga específica dos íons pode ser determinada. E se a carga do íon for conhecida, sua massa poderá ser calculada.

A história da espectrometria de massa remonta aos experimentos seminais de J. J. Thomson no início do século XX. A terminação “-metria” no nome do método apareceu após a transição generalizada da detecção de partículas carregadas usando placas fotográficas para medições elétricas de correntes iônicas.

A espectrometria de massa é especialmente amplamente utilizada na análise de substâncias orgânicas, uma vez que fornece identificação confiável de moléculas relativamente simples e complexas. O único requisito geral é que a molécula seja ionizável. No entanto, até agora foi inventado

Existem tantas maneiras de ionizar os componentes da amostra que a espectrometria de massa pode ser considerada um método quase abrangente.

3 gerador MHD

Gerador magnetohidrodinâmico, gerador MHD é uma usina na qual a energia de um fluido de trabalho (meio eletricamente condutor líquido ou gasoso) movendo-se em um campo magnético é convertida diretamente em energia elétrica.

O princípio de funcionamento de um gerador MHD, assim como de uma máquina geradora convencional, é baseado no fenômeno da indução eletromagnética, ou seja, na ocorrência de corrente em um condutor cruzando as linhas do campo magnético. Ao contrário dos geradores de máquinas, o condutor em um gerador MHD é o próprio fluido de trabalho.

O fluido de trabalho se move através do campo magnético e, sob a influência do campo magnético, surgem fluxos de portadores de carga de sinais opostos direcionados de maneira oposta.

A força de Lorentz atua sobre uma partícula carregada.

Os seguintes meios podem servir como fluido de trabalho do gerador MHD:

Os primeiros geradores MHD usavam líquidos eletricamente condutores (eletrólitos) como fluido de trabalho. Atualmente, é utilizado plasma em que os portadores de carga são principalmente elétrons livres e íons positivos. Sob a influência de um campo magnético, os portadores de carga se desviam da trajetória ao longo da qual o gás se moveria na ausência do campo. Neste caso, em um campo magnético forte, pode surgir um campo Hall (ver efeito Hall) - um campo elétrico formado como resultado de colisões e deslocamentos de partículas carregadas em um plano perpendicular ao campo magnético.

4 Ciclotron

Um ciclotron é um acelerador cíclico ressonante de partículas pesadas não relativísticas (prótons, íons), no qual as partículas se movem em um campo magnético constante e uniforme, e um campo elétrico de alta frequência de frequência constante é usado para acelerá-las.

O diagrama do circuito do ciclotron é mostrado na Fig. Partículas pesadas carregadas (prótons, íons) entram na câmara a partir de um injetor próximo ao centro da câmara e são aceleradas por um campo alternado de frequência fixa aplicado aos eletrodos aceleradores (há dois deles e são chamados dees). Partículas com carga Ze e massa m movem-se em um campo magnético constante de intensidade B, direcionado perpendicularmente ao plano de movimento das partículas, em uma espiral que se desenrola. O raio R da trajetória de uma partícula com velocidade v é determinado pela fórmula

Figura 5. Diagrama do ciclotron: vista superior e lateral: 1 -fonte de partículas pesadas carregadas (prótons, íons), 2 - órbita da partícula acelerada, 3 -eletrodos aceleradores (dees), 4 - gerador de campo acelerado, 5 - eletroímã. As setas mostram linhas de campo magnético). Eles são perpendiculares ao plano da figura superior

onde γ = -1/2 é o fator relativístico.

Em um cíclotron, para uma partícula não relativística (γ ≈ 1) em um campo magnético constante e uniforme, o raio orbital é proporcional à velocidade (1) e à frequência de rotação da partícula não relativística (a frequência do cíclotron não depende do energia das partículas

(2)

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

No espaço entre os dees, as partículas são aceleradas por um campo elétrico pulsado (não há campo elétrico dentro de dees metálicos ocos). Como resultado, a energia e o raio da órbita aumentam. Ao repetir a aceleração do campo elétrico a cada revolução, a energia e o raio da órbita são levados aos valores máximos permitidos. Neste caso, as partículas adquirem uma velocidade v = ZeBR/m e a energia correspondente:

Na última volta da espiral, a deflexão campo elétrico, trazendo o feixe para fora. A constância do campo magnético e a frequência do campo acelerado tornam possível a aceleração contínua. Enquanto algumas partículas se movem ao longo das voltas externas da espiral, outras estão no meio do caminho e outras estão apenas começando a se mover.

A desvantagem do cíclotron é a limitação por energias essencialmente não relativísticas das partículas, uma vez que mesmo correções relativísticas não muito grandes (desvios de γ da unidade) perturbam o sincronismo da aceleração em diferentes voltas e partículas com energias significativamente aumentadas não têm mais tempo para acabam no intervalo entre os dees na fase do campo elétrico necessária para a aceleração . Em ciclotrons convencionais, os prótons podem ser acelerados até 20-25 MeV.

Para acelerar partículas pesadas em modo espiral de desenrolamento para energias dezenas de vezes maiores (até 1000 MeV), uma modificação do cíclotron chamada isócrono ciclotron (relativístico), bem como um fasotron. Em ciclotrons isócronos, os efeitos relativísticos são compensados por um aumento radial no campo magnético.

Conclusão

Texto oculto

Conclusão escrita (a mais básica para todos os parágrafos da primeira seção - princípios de ação, definições)

Lista de literatura usada

Wikipedia [recurso eletrônico]: Força de Lorentz. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Lorentz_Force

Wikipedia [recurso eletrônico]: Gerador magnetohidrodinâmico. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Magnetohydrodynamic_generator

Wikipedia [recurso eletrônico]: Dispositivos de feixe de elétrons. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Electron-beam_devices

Wikipedia [recurso eletrônico]: Espectrometria de massa. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Espectrometria de massa

Física nuclear na Internet [recurso eletrônico]: Ciclotron. URL: http://nuclphys.sinp.msu.ru/experiment/accelerators/ciclotron.htm

Livro eletrônico de física [recurso eletrônico]: T. Aplicações da força de Lorentz //URL: http://www.physbook.ru/index.php/ T. Aplicações da força de Lorentz

Acadêmico [recurso eletrônico]: Gerador magnetohidrodinâmico //URL: http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/MAGNETOHYDRODYNAMIC

O efeito exercido por um campo magnético sobre partículas carregadas em movimento é amplamente utilizado em tecnologia.

Por exemplo, a deflexão de um feixe de elétrons em tubos de imagem de TV é realizada por meio de um campo magnético criado por bobinas especiais. Vários dispositivos eletrônicos usam um campo magnético para focar feixes de partículas carregadas.

Nas instalações experimentais atualmente criadas para a realização de uma reação termonuclear controlada, a ação de um campo magnético sobre o plasma é utilizada para torcê-lo em um cordão que não toca as paredes da câmara de trabalho. O movimento circular de partículas carregadas em um campo magnético uniforme e a independência do período de tal movimento da velocidade da partícula são usados em aceleradores cíclicos de partículas carregadas - ciclotrons.

A força de Lorentz também é usada em dispositivos chamados espectrógrafos de massa, que são projetados para separar partículas carregadas de acordo com suas cargas específicas.

O diagrama do espectrógrafo de massa mais simples é mostrado na Figura 1.

Na câmara 1, da qual o ar foi bombeado, existe uma fonte de íons 3. A câmara é colocada em um campo magnético uniforme, em cada ponto do qual a indução \(~\vec B\) é perpendicular ao plano de o desenho e direcionado para nós (na Figura 1 este campo é indicado por círculos). Uma tensão aceleradora é aplicada entre os eletrodos A e B, sob a influência da qual os íons emitidos pela fonte são acelerados e a uma certa velocidade entram no campo magnético perpendicular às linhas de indução. Movendo-se em um campo magnético em um arco circular, os íons caem na placa fotográfica 2, o que permite determinar o raio R este arco. Conhecendo a indução do campo magnético EM e velocidade υ íons, de acordo com a fórmula

\(~\frac q m = \frac (v)(RB)\)

a carga específica dos íons pode ser determinada. E se a carga do íon for conhecida, sua massa poderá ser calculada.

Literatura

Aksenovich L. A. Física em ensino médio: Teoria. Tarefas. Testes: livro didático. subsídio para instituições que oferecem ensino geral. meio ambiente, educação / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyakhavanne, 2004. - P. 328.