Номер 24, страница 151, часть 2 - гдз по физике 8 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Глава IV. Электромагнитные явления. Параграф 24. Сила Ампера. Сила Лоренца - номер 24, страница 151.

Условие.

24. Используя Интернет, подготовьте краткий рассказ с иллюстрациями об использовании действия магнитного поля на движущиеся заряженные частицы.

Решение.

Действие магнитного поля на движущиеся заряженные частицы — одно из фундаментальных явлений электромагнетизма, которое нашло широчайшее применение в науке и технике. В основе этого явления лежит сила Лоренца, действующая на заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле. Модуль этой силы определяется формулой $F_L = |q|vB\sin\alpha$, где $\text{q}$ — заряд частицы, $\text{v}$ — её скорость, $\text{B}$ — индукция магнитного поля, а $\alpha$ — угол между вектором скорости частицы и вектором магнитной индукции. Направление силы Лоренца всегда перпендикулярно и скорости частицы, и вектору магнитного поля. Это означает, что сила Лоренца не совершает работы и не изменяет кинетическую энергию частицы, а лишь искривляет её траекторию, заставляя частицу двигаться по окружности или спирали. Это свойство используется во многих устройствах и наблюдается в природных явлениях.

Ускорители заряженных частиц

В циклических ускорителях, таких как циклотрон или синхротрон, магнитное поле играет ключевую роль в удержании частиц на заданной траектории. Частицы (например, протоны или электроны) многократно проходят через ускоряющее электрическое поле, с каждым витком набирая всё большую энергию. Сильное однородное магнитное поле, направленное перпендикулярно скорости частиц, заставляет их двигаться по окружности или разворачивающейся спирали, не вылетая за пределы установки. Это позволяет "накапливать" энергию частиц, разгоняя их до околосветовых скоростей. Самым известным примером является Большой адронный коллайдер (БАК), где сверхпроводящие магниты удерживают пучки протонов на 27-километровом кольце для изучения фундаментальных законов Вселенной.

Иллюстрация 1: Принцип работы циклотрона. Магнитное поле (B) направлено перпендикулярно плоскости движения частиц и заставляет их двигаться по спирали, в то время как электрическое поле (E) между дуантами ускоряет их.

Масс-спектрометры

Масс-спектрометр — это высокоточный прибор для определения массы атомов и молекул и установления элементного состава вещества. В его основе лежит разделение ионов по их отношению массы к заряду. Сначала исследуемое вещество ионизируется, затем ионы ускоряются электрическим полем до одинаковой энергии и влетают в камеру с однородным магнитным полем. Под действием силы Лоренца траектория каждого иона искривляется. Радиус кривизны траектории $\text{r}$ зависит от массы $\text{m}$, скорости $\text{v}$, заряда $\text{q}$ иона и индукции поля $\text{B}$: $r = \frac{mv}{qB}$. Так как скорость и заряд ионов известны, ионы с разной массой будут двигаться по траекториям с разным радиусом и попадут на детектор в разных местах. Это позволяет с высокой точностью определять состав образца. Масс-спектрометрия широко используется в химии, биологии, медицине, геологии и криминалистике.

Иллюстрация 2: Схема работы масс-спектрометра. Ионы разной массы отклоняются магнитным полем по-разному: более легкие (m1) отклоняются сильнее, чем более тяжелые (m2).

Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ)

До эпохи жидкокристаллических и плазменных экранов, ЭЛТ были основой всех телевизоров и осциллографов. В ЭЛТ электронная пушка испускает узкий пучок электронов, который ускоряется высоким напряжением и летит к экрану, покрытому люминофором (веществом, светящимся при попадании электронов). Управление этим пучком осуществляется с помощью отклоняющей системы, состоящей из магнитных катушек. Создаваемое ими магнитное поле отклоняет электроны в горизонтальном и вертикальном направлениях. Быстро изменяя ток в катушках, можно заставить электронный луч пробегать по всему экрану строку за строкой, формируя тем самым изображение.

Иллюстрация 3: Устройство электронно-лучевой трубки с магнитной системой отклонения луча.

Управляемый термоядерный синтез

Осуществление управляемой реакции термоядерного синтеза, источника энергии звезд, является одной из самых амбициозных задач современной физики. Для реакции необходимо нагреть вещество (смесь изотопов водорода) до температур порядка 100-200 миллионов градусов Цельсия. При такой температуре вещество переходит в состояние плазмы — полностью ионизированного газа, состоящего из положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов. Удержать такую горячую плазму невозможно никакими материальными стенками. Поэтому для её изоляции и удержания используются мощные магнитные поля. В установках типа "токамак" создаётся тороидальное (в форме бублика) магнитное поле сложной конфигурации, которое действует как "магнитная ловушка". Заряженные частицы плазмы не могут пересекать силовые линии магнитного поля и вынуждены двигаться по винтовым траекториям внутри вакуумной камеры, не касаясь её стенок.

Иллюстрация 4: Схема удержания высокотемпературной плазмы в реакторе-токамаке с помощью сильного магнитного поля.

Полярные сияния

Действие магнитного поля на движущиеся заряды проявляется не только в созданных человеком устройствах, но и в грандиозных природных явлениях. Наше Солнце постоянно испускает поток заряженных частиц, называемый солнечным ветром. Магнитное поле Земли, или магнитосфера, защищает нашу планету, отклоняя большую часть этих частиц. Однако вблизи магнитных полюсов часть частиц солнечного ветра захватывается магнитным полем и направляется вдоль его силовых линий в верхние слои атмосферы. Влетая в атмосферу на огромной скорости, эти частицы (в основном электроны и протоны) сталкиваются с атомами и молекулами газов, в основном кислорода и азота. В результате столкновений атомы возбуждаются, а затем излучают свет, создавая красочное свечение, которое мы наблюдаем как полярные (северные и южные) сияния.

Иллюстрация 5: Взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой Земли, приводящее к возникновению полярных сияний в приполярных областях.

Ответ: В ответе представлен рассказ с иллюстрациями об использовании действия магнитного поля на движущиеся заряженные частицы. Рассмотрены такие примеры, как ускорители частиц, масс-спектрометры, электронно-лучевые трубки, установки для управляемого термоядерного синтеза (токамаки) и природное явление — полярные сияния. В основе всех этих применений лежит сила Лоренца, которая отклоняет траекторию заряженных частиц, не изменяя их энергии, что позволяет управлять их движением, разделять их по массе или удерживать в заданном объёме.