#фізика #частинка #магнітне #ларморівське #Лоренц
Дистанційне навчання: / physics.ukr
Науково-популярно про рух зарядженої частинки в магнітному полі.
На заряджену частинку, наприклад електрон, що рухається в магнітному поле, діє сила Лоренца. Вона перпендикулярна і до вектора швидкості, і до вектора індукції. Якщо швидкість перпендикулярна до магнітного поля, частинка рухається по колу. Радіус цього кола залежить від маси і заряду частинки, її швидкості та індукції магнітного поля. Період обертання частинки залежить від маси, заряду частинки, від індукції магнітного поля, але не залежить від швидкості частинки. Якщо вектори швидкості відрізняються лише за напрямком, то електрони будуть описувати кола однакового радіусу. Якщо швидкості різні за величиною то різними будуть і радіуси кіл, але періоди обертання будуть однаковими. З збільшенням індукції магнітного поля радіус кола, а отже і період обертання, зменшиться. Якщо швидкості двох однакових частинок, наприклад йонів, мало відрізняється одна від одної за напрямком. їх траєкторії в магнітному полі перетнуться після проходження дуги, яка дорівнює 180 градусів. Тому через пів оберта злегка розбіжний пучок йонів знову сфокусується. Із збільшенням маси йонів радіус кола збільшується. Це дозволяє розділяти йони, що мають різні маси. Цей принцип покладено в основу роботи мас-спектрографа та електромагнітного методу розділення ізотопів. З йонного джерела пучок йонів, який злегка розходиться, проходить камеру прискорення та потрапляє у поперечне магнітне поле. Йони, пройшовши дугу 180 градусів, фокусуються. При цьому різні йони фокусуються в різних місцях, що дозволяє провести аналіз розподілу йонів за їхньою масою Якщо вектор швидкості заряджених частинок складає довільний кут з лініями індукції магнітного поля, тоді його можна розкласти на дві складові: паралельну лініям поля та перпендикулярну. За рахунок перпендикулярної складові електрон рухається по колу, а за рахунок паралельної вздовж поля. Сила Лоренца не діє на паралельну складову швидкості, але безперервно змінює напрямок перпендикулярної складової. Результуючою траєкторією руху буде гвинтова лінія. Радіус витка залежить від заряду частинки, її маси, швидкості, кута під яким частинка влітає в магнітне поле та від індукції поля. Від цих же величин залежить крок гвинтової лінії. При малих кутах косинус альфа приблизно дорівнює 1. Тому крок гвинтової лінії не буде залежати від кута. Магнітне поле спричиняє на рухомі заряди фокусуючу дію. Якщо в магнітне поле влітають електрони під різними, але малими кутами, то крок їх траєкторій буде практично однаковий і усі електрони зберуться магнітним полем в одну точку. Використовуючи спіральний характер траєкторії електронів у магнітному полі вчені з колишнього СРСР та Франції у 1976 році провели спільний експеримент з збудження полярного сяйва пучком електронів, що отримав назву Аракс. З острова Каргелен поблизу Антарктиди вздовж силових ліній магнітного поля Землі був запущений пучок електронів під невеликим кутом до ліній магнітного поля Землі. Цей пучок, як і передбачалося, був зареєстрований у північній півкулі у районі Архангельська. Фокусуюча дія магнітного поля на рухомі заряди використовується в магнітних лінзах. Магнітна лінза це котушка, поміщена в панцир із м`якого заліза, з внутрішньої сторони якого вирізано кільцеву щілину. Краї щілини забезпечені гострими кільцевими наконечниками магніту. При пропусканні струму по котушці в щілині створюється неоднорідне магнітне поле. Завдяки особливій формі цього поля електрони, що летять паралельно осі котушки, фокусуються. Магнітні лінзи використовуються в електронних мікроскопах. Сучасні електронні мікроскопи дозволяють отримати збільшення зображення в мільйони разів. Перед нами схема магнітної пастки. В однорідному магнітному полі траєкторії частинок представляють гвинтову лінію спіраль. У наростаючому магнітному полі радіус траєкторії частинок та крок спіралі будуть зменшуватися. Це легко пояснити. В однорідному полі рух частинки можна розглядати, як переміщення ларморівського кола вздовж силової лінії. Сила Лоренца лежить в площині цього кола і не змінює поздовжньої складової швидкості частинки. У наростаючому магнітному полі, де силові лінії починають звужуватися, з`являється складова сили Лоренца, яка спрямована перпендикулярно до площини ларморівського кола. Ця складова гальмує поздовжній рух електрона та прагне виштовхнути його з області сильного поля. Якщо електрон рухається в слабкому полі з початковою швидкістю, що складає не надто малий кут з напрямком силових ліній, відбудеться відбиття частинки від області сильного поля. Точка траєкторії частинки, в якій поздовжня швидкість змінює свій напрямок, називається точкою повернення. Електрони, що летять під малим кутом до ліній магнітної індукції, вилітатимуть з пастки. Особливості руху заряджених частинок в магнітному полі використовуються при конструюванні дослідницьких установок, за допомогою яких вирішуються проблеми фізики.
28 окт 2023
