Применение силы Лоренца - Магнитное поле - Основы электродинамики

Цель: показать практическую значимость силы Лоренца.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Повторение изученного

- Какую силу называют силой Лоренца?

- Чему равна сила Лоренца?

- Что такое электрическое поле?

- Какое поле называют однородным?

- В каком случае электрическое поле разгоняет заряженную частицу, а в каком тормозит?

- Что такое магнитное поле?

- Как определить направление магнитной силы Лоренца?

- Как движется частица в магнитном поле в разных случаях?

III. Выполнение лабораторной работы

Лабораторная работа

Цели: ознакомление с устройством электронно-лучевой трубки осциллографа, использование знаний о силе Лоренца для определения скорости движения заряда.

Оборудование: подковообразный магнит с рассчитанным модулем В магнитной индукции, линейка, осциллограф (электроннолучевая трубка).

Ход работы

1. Установите след электронного луча (светящуюся точку) в центре экрана, вращая ручки вертикального и горизонтального смещения луча осциллографа. Осторожно прижмите подкову магнита к экрану и измерьте линейкой смещение луча по Y.

2. Зарисуйте положение магнита относительно экрана, начальное и конечное положение луча на экране. Укажите направление линий магнитной индукции между полюсами магнита. Определите направление движения электронов.

3. Радиус кривизны найдите по формуле:

где R - радиус кривизны; d - толщина слоя, где действует магнитное поле; у - смещение.

где q и m - табличные данные.

4. Если известно напряжение между ускоряющими электродами осциллографа, то можно провести оценку:

IV. Изучение нового материала

Рассмотрим некоторые из многочисленных применений силы Лоренца, которые встречаются в науке и технике.

1. Управление электронным пучком.

Как видно из лабораторной работы, с помощью магнитных полей можно изменить направление движения электронов. Впервые управлять электронными лучами научился Дж.-Дж. Томсон.

2. Определение скорости движения частиц.

3. Действие магнитного поля на движущиеся заряженные частицы используется для преобразования кинетической энергии плазменной струи в электрическую (МГД-генераторы) (магнитогидродинамики).

Поток плазмы направляется в поперечное магнитное поле, которое действует на движущиеся заряженные частицы направленное перпендикулярно к скорости их движения. В результате положительные ионы отклоняются вверх, а электроны и отрицательные ионы - вниз.

Верхний катод электризуется положительно, а нижний - отрицательно, их выводы являются полюсами генератора. Между электродами ток течет снизу вверх. Происходит уменьшение скорости струи и ее кинетической энергии. На МГД-генераторе кинетическая энергия плазменной струи преобразовывается непосредственно в электрическую энергию.

Совместное использование на тепловых электростанциях гидродинамического метода преобразования энергии и обычных паротурбинных установок позволяет значительно повысить экономическую эффективность электростанций.

4. Определение знака заряда движущейся частицы.

5. Магнитные ловушки.

6. Определение удельного заряда и массы частиц.

7. Ускорители заряженных частиц.

8. Электронный микроскоп.

V. Закрепление изученного материала

- Каким методом можно определить скорость заряженных частиц?

- Как с помощью магнитного поля можно узнать заряжена ли частица?

- Опишите принцип действия циклотрона.

VI. Подведение итогов урока

Домашнее задание

П. 6; упр. № 1 (3 : 4).

Дополнительный материал

Полярные сияния

Одним из красивейших оптических явлений природы является полярное сияние.

В большинстве случаев полярные сияния имеют зеленый или сине-зеленый оттенок с изредка появляющимися пятнами или каймой розового или красного цвета.

Полярные сияния наблюдают в двух основных формах - в виде лент и в виде облакоподобных пятен. Когда сияние интенсивно, оно приобретает форму лент. Теряя интенсивность, оно превращается в пятна. Однако многие ленты исчезают, не успев разбиться на пятна. Ленты как бы висят в темном пространстве неба, напоминая гигантский занавес или драпировку, тянущуюся обычно с востока на запад на тысячи километров. Высота этого занавеса составляет несколько сотен километров, толщина не превышает нескольких сотен метров, причем он так нежен и прозрачен, что сквозь него видны звезды. Нижний край занавеса довольно резко и отчетливо очерчен и часто подкрашен в красный или розоватый цвет, напоминающий кайму занавеса, верхний - постепенно теряется в высоте и это создает особенно эффектное впечатление глубины пространства.

Различают четыре типа полярных сияний:

- Однородная дуга - светящаяся полоса имеет наиболее простую, спокойную форму. Она более яркая снизу и постепенно исчезает кверху на фоне свечения неба.

- Лучистая дуга - лента становится несколько более активной и подвижной, она образует мелкие складки и струйки.

- Лучистая полоса - с ростом активности более крупные складки накладываются на мелкие.

При повышении активности складки или петли расширяются до огромных размеров, нижний край ленты ярко сияет розовым свечением. Когда активность спадает, складки исчезают и лента возвращается к однородной форме. Это наводит на мысль, что однородная структура является основной формой полярного сияния, а складки связаны с возрастанием активности.

Часто возникают сияния иного вида. Они захватывают весь полярный район и оказываются очень интенсивными. Происходят они во время увеличения солнечной активности. Эти сияния представляются в виде беловато-зеленой шапки. Такие сияния называют шквалами.

По яркости сияния разделяют на четыре класса, отличающиеся друг от друга на один порядок (то есть в 10 раз). К первому классу относятся сияния еле заметные и приблизительно равные по яркости Млечному Пути, сияния же четвертого класса освещают Землю так ярко, как полная Луна.

Надо отметить, что возникшее сияние распространяется на запад со скоростью 1 км/с. Верхние слои атмосферы в области вспышек сияний разогреваются и устремляются вверх, что сказалось на усиленном торможении искусственных спутников Земли, проходящих эти зоны.

Во время сияний в атмосфере Земли возникают вихревые электрические токи, захватывающие большие области. Они возбуждают дополнительные неустойчивые магнитные поля, так называемые магнитные бури. Во время сияний атмосфера излучает рентгеновские лучи, которые, по-видимому, являются результатом торможения электронов в атмосфере.

Интенсивные вспышки сияния часто сопровождаются звуками, напоминающими шум, треск. Полярные сияния вызывают сильные изменения в ионосфере, что в свою очередь влияет на условия радиосвязи. В большинстве случаев радиосвязь значительно ухудшается. Возникают сильные помехи, а иногда полная потеря приема.

Как возникают полярные сияния. Земля представляет собой огромный магнит, южный полюс которого находится вблизи северного географического полюса, а северный - вблизи южного. Силовые линии магнитного поля Земли, называемые геомагнитными линиями, выходят из области, прилегающей к северному магнитному полюсу Земли, охватывают земной шар и входят в него в области южного магнитного полюса, образуя тороидальную решетку вокруг Земли.

Долго считалось, что расположение магнитных силовых линий симметрично относительно земной оси. Теперь выяснилось, что так называемый «солнечный ветер» - поток протонов и электронов, излучаемых Солнцем, налетая на геомагнитную оболочку Земли с высоты около 20000 км, оттягивает ее назад, в сторону от Солнца, образуя у Земли своеобразный магнитный «хвост».

Электрон или протон, попавшие в магнитное поле Земли, движутся по спирали, как бы навиваясь на геомагнитную линию. Электроны и протоны, попавшие из солнечного ветра в магнитное поле Земли, разделяются на две части. Часть из них вдоль магнитных силовых линий сразу стекает в полярные области Земли; другие попадают внутрь тероида и движутся внутри него, вдоль замкнутой кривой ABC. Эти протоны и электроны в конце концов по геомагнитным линиям также стекают в область полюсов, где возникает их увеличенная концентрация. Протоны и электроны производят ионизацию и возбуждение атомов и молекул газов. Для этого они имеют достаточно энергии, так как протоны прилетают на Землю с энергиями 10000- 20000 эВ (1 эВ = 1,6 ·10 Дж), а электроны с энергиями 10-20 эВ. Для ионизации же атомов нужно: для водорода - 13,56 эВ, для кислорода - 13,56 эВ, для азота - 124,47 эВ, а для возбуждения еще меньше.

Возбужденные атомы газов отдают обратно полученную энергию в виде света, наподобие того, как это происходит в трубках с разреженным газом при пропускании через них токов.

Спектральное исследование показывает, что зеленое и красное свечение принадлежит возбужденным атомам кислорода, инфракрасное и фиолетовое - ионизованным молекулам азота. Некоторые линии излучения кислорода и азота образуются на высоте 110 км, а красное свечение кислорода - на высоте 200-400 км. Другим слабым источником красного света являются атомы водорода, образовавшиеся в верхних слоях атмосферы из протонов, прилетевших с Солнца. Захватив электрон, такой протон превращается в возбужденный атом водорода и излучает красный свет.

Вспышки сияний происходят обычно через день-два после вспышек на Солнце. Это подтверждает связь между этими явлениями. Исследование при помощи ракет показало, что в местах большей интенсивности сияний имеется более значительная ионизация газов электронами.

В последнее время ученые установили, что полярные сияния более интенсивны у берегов океанов и морей.

Но научное объяснение всех явлений, связанных с полярными сияниями, встречает ряд трудностей. Например, неизвестен точно механизм ускорения частиц до указанных энергий, не вполне ясны их траектории в околоземном пространстве, не все сходится количественно в энергетическом балансе ионизации и возбуждения частиц, не вполне ясен механизм образования свечения различных видов, неясно происхождение звуков.