tapi saat ini dan kemudian
KarenanS d aku – jumlah muatan dalam volume S d aku, kemudian untuk satu biaya
atau
| , | (2.5.2) |
gaya Lorentz – gaya yang diberikan oleh medan magnet pada muatan positif yang bergerak(di sini adalah kecepatan gerak teratur pembawa muatan positif). Modulus gaya Lorentz:
| , | (2.5.3) |
dimana adalah sudut antara dan .
Dari (2.5.4) dapat dilihat bahwa muatan yang bergerak sepanjang garis tidak dipengaruhi oleh gaya ().
| Lorenz Hendrik Anton(1853–1928) – Fisikawan teoretis Belanda, pencipta teori elektron klasik, anggota Akademi Ilmu Pengetahuan Belanda. Dia memperoleh rumus yang menghubungkan permitivitas dengan kerapatan dielektrik, memberikan ekspresi untuk gaya yang bekerja pada muatan yang bergerak dalam medan elektromagnetik (gaya Lorentz), menjelaskan ketergantungan konduktivitas listrik suatu zat pada konduktivitas termal, mengembangkan teori dispersi cahaya. Mengembangkan elektrodinamika benda bergerak. Pada tahun 1904, ia menurunkan rumus yang menghubungkan koordinat dan waktu dari peristiwa yang sama dalam dua kerangka acuan inersia yang berbeda (transformasi Lorentz). |
Gaya Lorentz diarahkan tegak lurus terhadap bidang di mana vektor terletak dan . Ke muatan positif yang bergerak aturan tangan kiri berlaku atau« aturan gimlet» (Gbr. 2.6).
Arah gaya untuk muatan negatif berlawanan, oleh karena itu, untuk aturan tangan kanan berlaku untuk elektron.
Karena gaya Lorentz diarahkan tegak lurus terhadap muatan yang bergerak, yaitu tegak lurus ,usaha yang dilakukan oleh gaya ini selalu nol . Oleh karena itu, bekerja pada partikel bermuatan, gaya Lorentz tidak dapat mengubah energi kinetik partikel.
Sering Gaya Lorentz adalah jumlah gaya listrik dan magnet:
 ,
|
(2.5.4) |
di sini gaya listrik mempercepat partikel, mengubah energinya.
Setiap hari, kami mengamati efek gaya magnet pada muatan yang bergerak di layar televisi (Gbr. 2.7).
Gerakan berkas elektron di sepanjang bidang layar dirangsang oleh medan magnet kumparan pembelok. Jika Anda membawa magnet permanen ke bidang layar, maka mudah untuk melihat efeknya pada berkas elektron dengan distorsi yang muncul pada gambar.
Aksi gaya Lorentz dalam akselerator partikel bermuatan dijelaskan secara rinci dalam Bagian 4.3.
Definisi 1Gaya Ampere yang bekerja pada bagian penghantar dengan panjang l dengan kuat arus tertentu I yang terletak dalam medan magnet B, F = I B l sin dapat dinyatakan melalui gaya yang bekerja pada pembawa muatan tertentu.
Biarkan muatan pembawa dilambangkan sebagai q, dan n adalah nilai konsentrasi pembawa muatan bebas dalam konduktor. Dalam hal ini, hasil kali n q S, di mana S adalah luas penampang konduktor, setara dengan arus yang mengalir dalam konduktor, dan adalah modulus kecepatan gerakan berurutan pembawa dalam konduktor:
I = q · n · · S .
Definisi 2
Rumus Gaya ampere dapat ditulis dalam bentuk berikut:
F = q n S l B sin .
Karena kenyataan bahwa jumlah total N pembawa muatan bebas dalam konduktor dengan penampang S dan panjang l sama dengan produk n S l, gaya yang bekerja pada satu partikel bermuatan sama dengan ekspresi: F L \ u003d q B sin .
Kekuatan yang ditemukan disebut Pasukan Lorentz. Sudut pada rumus di atas sama dengan sudut antara vektor induksi magnet B → dan kecepatan → .
Arah gaya Lorentz, yang bekerja pada partikel bermuatan positif, dengan cara yang sama seperti arah gaya Ampere, ditemukan dengan aturan gimlet atau dengan menggunakan aturan tangan kiri. Susunan bersama dari vektor → , B → dan F L → untuk partikel yang bermuatan positif diilustrasikan pada gambar. satu . delapan belas. satu .
Gambar 1 . delapan belas. satu . Susunan vektor bersama ν → , B → dan F → . Modulus gaya Lorentz F L → secara numerik setara dengan produk dari luas jajaran genjang yang dibangun di atas vektor → dan B → dan muatan q.
Gaya Lorentz diarahkan secara normal, yaitu tegak lurus terhadap vektor → dan B →.
Gaya Lorentz tidak bekerja ketika partikel yang membawa muatan bergerak dalam medan magnet. Fakta ini mengarah pada fakta bahwa modulus vektor kecepatan di bawah kondisi gerak partikel juga tidak mengubah nilainya.
Jika partikel bermuatan bergerak dalam medan magnet seragam di bawah aksi gaya Lorentz, dan kecepatannya ν → terletak pada bidang yang diarahkan secara normal terhadap vektor B →, maka partikel akan bergerak sepanjang lingkaran dengan radius tertentu, dihitung menggunakan rumus berikut:
Gaya Lorentz dalam hal ini digunakan sebagai gaya sentripetal (Gbr. 1.18.2).
Gambar 1 . delapan belas. 2. Gerak melingkar dari partikel bermuatan dalam medan magnet seragam.
Untuk periode revolusi partikel dalam medan magnet seragam, ekspresi berikut akan berlaku:
T = 2 R = 2 m q B .
Rumus ini dengan jelas menunjukkan tidak adanya ketergantungan partikel bermuatan dengan massa m tertentu pada kecepatan dan jari-jari lintasan R .
Definisi 3Hubungan di bawah ini adalah rumus untuk kecepatan sudut partikel bermuatan yang bergerak sepanjang lintasan melingkar:
= R = q B m = q B m .
Ini menyandang nama frekuensi siklotron. Kuantitas fisik ini tidak bergantung pada kecepatan partikel, dari mana kita dapat menyimpulkan bahwa itu juga tidak bergantung pada energi kinetiknya.
Definisi 4
Keadaan ini menemukan penerapannya dalam siklotron, yaitu dalam akselerator partikel berat (proton, ion).
Gambar 1. delapan belas. 3 menunjukkan diagram skema siklotron.
Gambar 1 . delapan belas. 3 . Gerakan partikel bermuatan di ruang vakum siklotron.
Definisi 5
Duant- ini adalah setengah silinder logam berongga yang ditempatkan di ruang vakum di antara kutub elektromagnet sebagai salah satu dari dua elektroda berbentuk D yang dipercepat di siklotron.
Tegangan listrik bolak-balik diterapkan pada dees, yang frekuensinya setara dengan frekuensi siklotron. Partikel yang membawa beberapa muatan disuntikkan ke tengah ruang vakum. Di celah antara dees, mereka mengalami percepatan yang disebabkan oleh medan listrik. Partikel di dalam dees, dalam proses bergerak sepanjang setengah lingkaran, mengalami aksi gaya Lorentz. Jari-jari setengah lingkaran meningkat dengan meningkatnya energi partikel. Seperti pada semua akselerator lainnya, dalam siklotron, percepatan partikel bermuatan dicapai dengan menerapkan medan listrik, dan retensinya pada lintasan oleh medan magnet. Siklotron memungkinkan untuk mempercepat proton ke energi mendekati 20 MeV.
Medan magnet homogen digunakan di banyak perangkat untuk berbagai aplikasi. Secara khusus, mereka telah menemukan aplikasi mereka dalam apa yang disebut spektrometer massa.
Definisi 6
Spektrometer massa- Ini adalah perangkat semacam itu, yang penggunaannya memungkinkan kita untuk mengukur massa partikel bermuatan, yaitu ion atau inti berbagai atom.
Perangkat ini digunakan untuk memisahkan isotop (inti atom dengan muatan yang sama tetapi massa yang berbeda, misalnya, Ne 20 dan Ne 22). pada gambar. satu . delapan belas. 4 menunjukkan versi paling sederhana dari spektrometer massa. Ion yang dipancarkan dari sumber S melewati beberapa lubang kecil, yang bersama-sama membentuk sinar sempit. Setelah itu, mereka memasuki pemilih kecepatan, di mana partikel bergerak dalam medan listrik homogen yang bersilangan, yang dibuat di antara pelat kapasitor datar, dan medan magnet, yang muncul di celah antara kutub elektromagnet. Kecepatan awal → partikel bermuatan diarahkan tegak lurus terhadap vektor E → dan B → .
Sebuah partikel yang bergerak dalam medan magnet dan listrik yang bersilangan mengalami pengaruh gaya listrik q E → dan gaya magnet Lorentz. Dalam kondisi ketika E = B terpenuhi, gaya-gaya ini saling mengimbangi satu sama lain. Dalam hal ini, partikel akan bergerak seragam dan lurus dan, setelah terbang melalui kapasitor, akan melewati lubang di layar. Untuk nilai medan listrik dan magnet yang diberikan, selektor akan memilih partikel yang bergerak dengan kecepatan = E B .
Setelah proses ini, partikel dengan kecepatan yang sama memasuki medan magnet seragam B → ruang spektrometer massa. Partikel di bawah aksi gaya Lorentz bergerak dalam ruang yang tegak lurus terhadap bidang medan magnet. Lintasannya berbentuk lingkaran dengan jari-jari R = m q B”. Dalam proses pengukuran jari-jari lintasan dengan diketahui nilai dan B”, kita dapat menentukan rasio q m. Dalam kasus isotop, yaitu pada kondisi q 1 = q 2 , spektrometer massa dapat memisahkan partikel dengan massa yang berbeda.
Dengan bantuan spektrometer massa modern, kami dapat mengukur massa partikel bermuatan dengan akurasi melebihi 10 - 4 .
Gambar 1 . delapan belas. 4 . Selektor kecepatan dan spektrometer massa.
Dalam hal kecepatan partikel → memiliki komponen → sepanjang arah medan magnet, partikel tersebut dalam medan magnet seragam akan membuat gerakan spiral. Jari-jari spiral R tergantung pada modulus komponen yang tegak lurus terhadap medan magnet vektor → , dan pitch spiral p tergantung pada modulus komponen longitudinal (Gbr. 1. 18 . 5 ).
Gambar 1 . delapan belas. 5 . Pergerakan partikel bermuatan dalam spiral dalam medan magnet seragam.
Berdasarkan ini, kita dapat mengatakan bahwa lintasan partikel bermuatan dalam arti "berangin" pada garis induksi magnetik. Fenomena ini digunakan dalam teknologi untuk isolasi termal magnetik plasma suhu tinggi - gas terionisasi penuh pada suhu sekitar 10 6 K . Saat mempelajari reaksi termonuklir terkontrol, zat dalam keadaan serupa diperoleh dalam instalasi tipe "Tokamak". Plasma tidak boleh menyentuh dinding ruangan. Isolasi termal dicapai dengan menciptakan medan magnet dengan konfigurasi khusus. Gambar 1. delapan belas. Gambar 6 mengilustrasikan sebagai contoh lintasan partikel pembawa muatan dalam "botol" (atau perangkap) magnetik.
Gambar 1 . delapan belas. 6. Botol magnet. Partikel bermuatan tidak melampaui batasnya. Medan magnet yang diperlukan dapat dibuat menggunakan dua kumparan arus putaran.
Fenomena yang sama terjadi di medan magnet bumi, yang melindungi semua kehidupan dari aliran partikel pembawa muatan dari luar angkasa.
Definisi 7
Partikel bermuatan cepat dari luar angkasa, sebagian besar dari Matahari, "dicegat" oleh medan magnet bumi, menghasilkan pembentukan sabuk radiasi (Gbr. 1 . 18 . 7), di mana partikel, seolah-olah dalam perangkap magnet, bergerak mundur dan maju sepanjang lintasan spiral antara kutub magnet utara dan selatan dalam sepersekian detik.
Pengecualian adalah daerah kutub, di mana beberapa partikel menembus lapisan atas atmosfer, yang dapat menyebabkan munculnya fenomena seperti "aurora". Sabuk radiasi Bumi membentang dari jarak sekitar 500 km hingga puluhan jari-jari planet kita. Perlu diingat bahwa kutub magnet selatan Bumi terletak di dekat kutub geografis utara di barat laut Greenland. Sifat magnetisme terestrial belum dipelajari.
Gambar 1 . delapan belas. 7. Sabuk radiasi Bumi. Partikel bermuatan cepat dari Matahari, sebagian besar elektron dan proton, terperangkap dalam perangkap magnet sabuk radiasi.
Mungkin invasi mereka ke lapisan atas atmosfer, yang menjadi penyebab terjadinya "cahaya utara".
Gambar 1 . delapan belas. delapan . Model gerak muatan dalam medan magnet.
Gambar 1 . delapan belas. sembilan. Model spektrometer massa.
Gambar 1 . delapan belas. sepuluh. model pemilih kecepatan.
Jika Anda melihat kesalahan dalam teks, harap sorot dan tekan Ctrl+Enter
Tindakan yang diberikan oleh medan magnet pada partikel bermuatan yang bergerak sangat banyak digunakan dalam teknologi.
Misalnya, pembelokan berkas elektron di kineskop TV dilakukan menggunakan medan magnet, yang dibuat oleh kumparan khusus. Dalam sejumlah perangkat elektronik, medan magnet digunakan untuk memfokuskan berkas partikel bermuatan.
Dalam fasilitas eksperimental yang saat ini dibuat untuk implementasi reaksi termonuklir terkontrol, aksi medan magnet pada plasma digunakan untuk memutarnya menjadi kabel yang tidak menyentuh dinding ruang kerja. Pergerakan partikel bermuatan dalam lingkaran dalam medan magnet yang seragam dan independensi periode pergerakan tersebut dari kecepatan partikel digunakan dalam akselerator siklik partikel bermuatan - siklotron.
Aksi gaya Lorentz juga digunakan dalam perangkat yang disebut spektrograf massa, yang dirancang untuk memisahkan partikel bermuatan sesuai dengan muatan spesifiknya.
Skema spektrograf massa paling sederhana ditunjukkan pada Gambar 1.
Di ruang 1, dari mana udara dievakuasi, ada sumber ion 3. Ruang ditempatkan dalam medan magnet yang seragam, di setiap titik di mana induksi \(~\vec B\) tegak lurus terhadap bidang menggambar dan mengarahkan ke arah kita (pada Gambar 1 bidang ini ditunjukkan dengan lingkaran) . Tegangan percepatan diterapkan antara elektroda A h B, di bawah pengaruh ion yang dipancarkan dari sumber dipercepat dan memasuki medan magnet pada kecepatan tertentu yang tegak lurus terhadap garis induksi. Bergerak dalam medan magnet di sepanjang busur lingkaran, ion-ion jatuh pada pelat fotografi 2, yang memungkinkan untuk menentukan jari-jari R busur ini. Mengetahui induksi medan magnet PADA dan kecepatan υ ion, menurut 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: Teori. Tugas. Tes: Prok. tunjangan untuk lembaga yang menyediakan umum. lingkungan, pendidikan / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K.S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 328.
« Fisika - Kelas 11 "
Medan magnet bekerja dengan gaya pada partikel bermuatan yang bergerak, termasuk konduktor pembawa arus.
Berapakah gaya yang bekerja pada satu partikel?
1.
Gaya yang bekerja pada partikel bermuatan yang bergerak oleh medan magnet disebut gaya Lorentz untuk menghormati fisikawan besar Belanda X. Lorenz, yang menciptakan teori elektronik tentang struktur materi.
Gaya Lorentz dapat dicari dengan menggunakan hukum Ampere.
Modulus gaya Lorentz sama dengan rasio modulus gaya F yang bekerja pada bagian konduktor yang panjangnya l dengan jumlah N partikel bermuatan yang bergerak secara teratur di bagian konduktor ini:
Karena gaya (gaya Ampere) yang bekerja pada bagian konduktor dari medan magnet
adalah sama dengan F=| saya | Bl dosa,
dan arus dalam penghantar adalah saya = qnvS
di mana
q - muatan partikel
n adalah konsentrasi partikel (yaitu jumlah muatan per satuan volume)
v - kecepatan partikel
S adalah penampang konduktor.
Kemudian kita mendapatkan:
Setiap muatan yang bergerak dipengaruhi oleh medan magnet gaya Lorentz sama dengan:
di mana adalah sudut antara vektor kecepatan dan vektor induksi magnetik.
Gaya Lorentz tegak lurus terhadap vektor dan .
2.
Arah gaya Lorentz
Arah gaya Lorentz ditentukan dengan menggunakan persamaan aturan tangan kiri, yang merupakan arah gaya Ampere:
Jika tangan kiri diposisikan sedemikian rupa sehingga komponen induksi magnet, tegak lurus terhadap kecepatan muatan, memasuki telapak tangan, dan empat jari terentang diarahkan sepanjang pergerakan muatan positif (melawan pergerakan negatif), maka ibu jari ditekuk sebesar 90° akan menunjukkan arah gaya Lorentz yang bekerja pada muatan F l
3.
Jika di ruang tempat partikel bermuatan bergerak, terdapat medan listrik dan medan magnet, maka gaya total yang bekerja pada muatan sama dengan: = el + l di mana gaya yang dilakukan medan listrik pada muatan q sama dengan F el = q .
4.
Gaya Lorentz tidak bekerja, karena tegak lurus terhadap vektor kecepatan partikel.
Ini berarti bahwa gaya Lorentz tidak mengubah energi kinetik partikel dan, akibatnya, modulus kecepatannya.
Di bawah aksi gaya Lorentz, hanya arah kecepatan partikel yang berubah.
5.
Gerak partikel bermuatan dalam medan magnet seragam
Ada homogen medan magnet yang arahnya tegak lurus terhadap kecepatan awal partikel. 
Gaya Lorentz bergantung pada modulus vektor kecepatan partikel dan induksi medan magnet.
Medan magnet tidak mengubah modulus kecepatan partikel yang bergerak, yang berarti modulus gaya Lorentz tetap tidak berubah.
Gaya Lorentz tegak lurus terhadap kecepatan dan karena itu menentukan percepatan sentripetal partikel.
Invarian dalam modulus percepatan sentripetal sebuah partikel yang bergerak dengan kecepatan modulo konstan berarti bahwa
Dalam medan magnet seragam, partikel bermuatan bergerak secara seragam sepanjang lingkaran dengan jari-jari r.
Menurut hukum kedua Newton 
Maka jari-jari lingkaran di mana partikel bergerak sama dengan:
Waktu yang diperlukan partikel untuk melakukan satu putaran penuh (periode orbit) adalah: 
6.
Menggunakan aksi medan magnet pada muatan yang bergerak.
Aksi medan magnet pada muatan yang bergerak digunakan dalam tabung kineskop televisi, di mana elektron yang terbang menuju layar dibelokkan oleh medan magnet yang diciptakan oleh kumparan khusus.
Gaya Lorentz digunakan dalam akselerator partikel bermuatan siklotron untuk menghasilkan partikel dengan energi tinggi.
Perangkat spektrograf massa juga didasarkan pada aksi medan magnet, yang memungkinkan untuk menentukan massa partikel secara akurat.
