Справочник от Автор24
Найди эксперта для помощи в учебе
Найти эксперта
+2

Ионы в магнитном поле

Атом – это незаряженная частица. Ядро атома несет положительный заряд, в нем сосредоточена почти вся масса частицы. Суммарный заряд электронов, «окружающих» ядро равен заряду ядра, но противоположен по знаку.

Ион из атома получается так:

  1. При потере атомом одного или нескольких электронов, он становится положительно заряженной частицей, которую называют положительным ионом.
  2. Бывает, что атом захватывает дополнительные электроны, тогда образуется атом с отрицательным зарядом или отрицательный ион.

Сила Лоренца

Магнитное поле оказывает силовое воздействие на перемещающиеся заряженные частицы.

Рассмотрим элемент (dl) проводника с током I, площадь сечения этого проводника будем считать равной dS. Ток образуют частицы, имеющие заряд q, движутся они со средней скоростью v вдоль элемента тока. Количество носителей тока в единице объема проводника составляет n.

Тогда за единицу времени через единицу площади поперечного сечения элемента тока пройдет nv заряженный частиц, которые несут заряд, равный qnv. Так, перемещающиеся в элементе тока заряженные частицы создают электрический ток сила которого равна:

dI=qnvdS(1).

В соответствии с законом Ампера сила, действующая на наш элемент тока в магнитном поле с индукцией B равна:

dF=qnvdS(dl×B)(2).

Поскольку мы говорим о том, что векторы v и dl имеют одинаковые направления, то в выражении (2) знак вектора перенесем с dl на v. Примем во внимание, что ndldS - количество заряженных частиц N в объеме элемента тока, формулу (2) представим в виде:

dF=qN(v×B)(3).

Сила dF в выражении (3) действует на N частиц, тогда на одну частицу действует сила, равная:

FL=q(v×B)(4).

Определение 1

Сила, действующая на заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, определяемая выражением (4) называется силой Лоренца.

Иногда силой Лоренца именуют суммарную силу, которую испытывает заряженная частица, при движении в электрическом и магнитом полях:

FL=qE+q(v×B)(5).

«Ионы в магнитном поле» 👇
Помощь эксперта по теме работы
Найти эксперта
Решение задач от ИИ за 2 минуты
Решить задачу
Найди решение своей задачи среди 1 000 000 ответов
Найти

Выражение (4) указывает нам на то, что магнитное поле:

  • оказывает свое воздействие только на заряженную частицу (то есть на ион она должна действовать);
  • будет действовать на ион только, если частица движется (при v=0 сила Лоренца для магнитного поля равна нулю).
  • не будет оказывать своего воздействия на ион, если он перемещается параллельно линиям магнитной индукции поля.
Замечание 1

Скорость, входящая в выражения для силы Лоренца, - это скорость частицы относительно магнитного поля.

Движение иона в однородном магнитном поле

Из выражения (4), которое содержит векторное произведение (v×B) очевидно, что сила Лоренца, оказывающая действие на частицу в магнитном поле, будет направлена перпендикулярно к ее скорости. Из этого можно сделать вывод о том, что эта сила работы не совершает и не может изменять величину скорости. Но влиять на изменение направления скорости она может.

Пусть ион с зарядом q движется в однородном магнитном поле. Даная частица влетает в магнитное поле, индукция которого B, со скоростью v перпендикулярно линиям поля.

На ион со стороны поля в этом случае будет действовать сила Лоренца по величине, равная:

FL=qvB(6).

Вектор скорости иона и вектор силы Лоренца постоянно находятся в плоскости, нормальной к силовым линиям магнитного поля. Движение частицы будет идти в данной плоскости. Постоянная по модулю сила, перпендикулярная скорости, является центростремительной (F=mv2r). Ион в нашем магнитном поле движется по окружности, радиус которой равен r.

Из равенства силы Лоренца и центростремительной силы, найдем радиус траектории движения иона:

r=mvqB(7).

Время перемещения иона по кругу составит:

T=2πrv=2πmqB(8).

Движение является периодическим, поэтому время одного оборота названо периодом. Формула (8) показывает нам, что период движения иона не зависит от его скорости.

Допустим, что ион влетает под некоторым углом α неравным 90° к линиям однородного магнитного поля. В этом случае траекторией его движения будет винтовая линия.

При движении по силовой линии ион не будет «ощущать» воздействия магнитного поля. Раскладывая вектор скорости на две компоненты:

  • нормальную к линии поля;
  • параллельную силовой линии,

мы поймем, что:

  • перемещение по силовой линии идет с неизменной скоростью,
  • движение в плоскости перпендикулярной силовым линиям, будет круговым.

За время, соответствующее периоду обращения иона по окружности, величина перемещения частицы по линии поля составит:

h=Tvcosα=2πmvcosαqB(9).

Величина h называется шагом винтовой траектории частицы.

Радиус винтовой траектории частицы определяет выражение (7), где вместо скорости v подставляется ее нормальная составляющая к линиям магнитной индукции поля:

r=mvsinαqB(10).

Движение иона в неоднородном магнитном поле

Если ион движется в неоднородном магнитном поле, то радиус и шаг ее винтовой траектории непрерывно изменяются.

Так, при перемещении частицы по направлению увеличения магнитной индукции поля:

  • радиус ее винтовой траектории станет уменьшаться;
  • траектория движущегося иона навивается на силовую линию.

Особенности движения заряженных частиц в магнитных полях часто применяются в разных устройствах электронной оптики:

  • ускорителях заряженных частиц;
  • масс – спектрометрах.

Циклотрон

Независимость частоты обращения (ν=1/T) в магнитном поле от энергии частиц применяют для устройства ускорителя заряженных частиц – циклотрона.

Этот прибор предназначен для ускорения тяжелых заряженный частиц, коими и являются ионы, без использования высокого напряжения.

Ускорение ионов происходит между парой полукруглых металлических электродов, которые имеют вид коробок (называются дуантами). На дуанты подают переменное напряжение несколько десятков киловольт. В промежутке между дуантами появляется электрическое поле, которое ускоряет ионы.

Сами ионы порождает газовый разряд в специальном источнике ионов. Ионы направляют в центр щели между дуантами. Дуанты размещены внутри вакуумной камеры, находящейся между полюсами электромагнита.

Циклотрон осуществляет ступенчатое ускорение ионов. Всякий ион, который попал в щель между дуантами, ускоряется электрическим полем и влетает в один из дуантов. Там магнитное поле заставляет его описать полуокружность и через половину периода, ион вновь оказывается между дуантами в электрическом поле. Поля настраивают так, чтобы к моменту вылета иона электрическое поле изменило свое направление на противоположное, тогда ион получает повторное ускорение, во втором дуанте он будет перемещаться по окружности большего радиуса. Так, двигаясь из одного дуанта в другой через щель с электрическим полем ион будет перемещаться по раскручивающейся спирали, постоянно увеличивая свою энергию.

Дата последнего обновления статьи: 12.04.2024
Получи помощь с рефератом от ИИ-шки
ИИ ответит за 2 минуты
Все самое важное и интересное в Telegram

Все сервисы Справочника в твоем телефоне! Просто напиши Боту, что ты ищешь и он быстро найдет нужную статью, лекцию или пособие для тебя!

Перейти в Telegram Bot

Изучаешь тему "Ионы в магнитном поле"? Могу объяснить сложные моменты или помочь составить план для домашнего задания!

AI Assistant