В магнитное поле: Магнитное поле — урок. Физика, 8 класс.

Магнитное поле. Большая российская энциклопедия

Физические поля

Области знаний:

Магнитные характеристики вещества, Магнитное поле

Магни́тное по́ле, магнитная составляющая электромагнитного поля; физическое поле, оказывающее механическое силовое воздействие на движущиеся электрические заряды, на проводники, по которым течёт электрический ток, на постоянные магниты и другие физические объекты, обладающие магнитным моментом. Изменяющееся во времени магнитное поле создаёт переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, создаёт переменное магнитное поле, что обеспечивает существование электромагнитных волн, в которых переменные электрические и магнитные поля взаимно поддерживают друг друга.

Термин «магнитное поле» ввёл в 1845 г. М. Фарадей, автор концепции физического поля – ключевого понятия современной физики, являющегося, по мнению А. Эйнштейна, самым важным физическим открытием со времён создания И. Ньютоном основ классической механики.

Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции B,\boldsymbol{B},B, с помощью которого определяются механические силы и вращательные моменты сил, действующие со стороны магнитного поля на движущиеся заряды, токи и тела, обладающие магнитным моментом. Магнитное поле также характеризуется вектором напряжённости магнитного поля H;\boldsymbol{H};H; индукция и напряжённость магнитного поля, находящегося в изотропной среде, связаны выражением:H=Bμ0μ,\boldsymbol{H} = \frac{\boldsymbol{B}}{\mu_0 \mu},H=μ0​μB​,где μ\muμ – магнитная проницаемость среды, μ0\mu_0μ0​_{– магнитная постоянная.}

Источниками магнитного поля являются проводники с током, движущиеся заряды, физические объекты и тела, обладающие магнитным моментом. Для измерения характеристик магнитного поля используют различные магнитометры.

В технических приложениях магнитные поля по величине магнитной индукции BBB подразделяют на слабые (до 0,05 Тл), средние (0,05–4 Тл), сильные (4–100 Тл) и сверхсильные (свыше 100 Тл). {11}1011 Тл.

Булыгин Владимир Семенович

Дата публикации:  20 января 2023 г. в 19:36 (GMT+3)

Магнитное поле Земли дало трещину: ученые бьют тревогу и советуют держать лекарства под рукой

Комсомольская правда

НаукаКАРТИНА ДНЯ

Владимир ЛАГОВСКИЙ

25 марта 2023 13:41

Редкие атмосферные явления смещаются в нехарактерную для них область – в низкие широты

В выходные северное сияние обещают москвичам. На снимке – сполохи над Питером

Глобальный «сквозняк»

«Сильная магнитная буря вызовет явление северного сияния в районе Москвы и Подмосковья в грядущие выходные. Мощность бури в пике дойдет до 7,66 по девятибалльной шкале: причиной магнитных аномалий, которые будут наблюдаться несколько суток, стало попадание Земли в поток быстрого солнечного ветра» – сообщила в пятницу Лаборатория рентгеновской астрономии Солнца Физического института РАН им. Лебедева.

Катаклизм глобальный – крупнейший за последние 6 лет. Начался 23 марта и продолжается до сих пор. Гелиофизики предупреждают о его последствиях: «ложные срабатывания систем защиты в сетях электроснабжения; формирование заметного поверхностного заряда на элементах космических аппаратов, увеличение их сноса с орбиты; перерывы в спутниковой навигации и прерывания ВЧ радиосвязи. Полярные сияния могут наблюдаться до широт около 45-50 градусов, то есть, в том числе, на широтах Москвы и Санкт-Петербурга. В настоящее время уже поступают массовые сообщения о полярных сияниях на широтах от 65 градусов и выше».

Кстати, есть подтверждение от нашего читателя. Евгению Баранскому удалось сфотографировать огненные сполохи в небе над Самарской областью. Увидят ли что-нибудь москвичи? Большой вопрос – небо затянуто облаками.

Корональная дыра на Солнце, из которой «сквозит» солнечный ветер – потоки плазмы

Причины нынешней магнитной бури до конца не ясны. Есть две версии. Согласно одной – наиболее правдоподобной – в атмосферу Земли проник порыв солнечного ветра. Он мощно — прямо ураганно — дунул из огромной корональной дыры, образовавшейся на поверхности светила. Её поперечник уже достиг миллиона километров.

Дыру хорошо видно – настолько она огромна. Так совпало, что и в магнитном поле Земли по какой-то непонятной причине образовалась трещина, в которую и проник сильнейший «сквозняк». От него все неприятности.

По другой версии, бурю мог вызвать достигший нашей планеты корональный выброс, случившийся еще 20 марта. К примеру, американские гелиофизики не отрицают, что его проглядели. Катаклизм, начавшийся 23 марта, стал неожиданностью.

Но теперь эксперты уверенно заявляют, что буря не усилится, она уже пошла на убыль.

Северное сияние над Самарской областью

Красиво, но не полезно

Смещение сполохов северного сияния в более низкие широты свидетельствует о силе вызвавшей его магнитной бури. А чем она сильнее, тем больше неприятностей – не только технике, но и людям. Вроде бы.

У медиков нет полной уверенности в том, что резкие сотрясения магнитного поля вызывают недомогание – скачет кровяное давление, учащается пульс, болит и кружится голова. Но на всякий случай они предупреждают: будьте осторожны, держите лекарства под рукой. Обращаются в первую очередь к тем, кто, и в самом деле, замечает за собой во время магнитных бурь отклонения от привычного состояния. Кстати, полно людей, которые и не замечают.

Однако, как недавно выяснилось, «страдания», спровоцированные покореженным магнитным полем, могут быть и не выдуманными. Механизмы так называемой магниторецепции у людей имеются. Хотя детали их все еще загадочны.

Так выглядит STEVE – раскаленный воздух в небе

Ближе всех подошли к разгадке исследователи из университетов Манчестера и Лестера (Universities of Manchester and Leicester). Во всех живых клетках они обнаружили особые молекулы – флавинадениндинуклеотиды (Flavin Adenine Dinucleotide FAD), которые, и обеспечивают чувствительность к изменениям магнитного поля. Эти FAD включают квантовые механизмы, генерируя радикальные пары электронов, которые, собственно, и формируют таинственное «шестое чувство». Его сила зависит от количества – концентрации FAD. Чем больше молекул в организме людей, тем чувствительнее они к магнитным бурям. А те, у кого этих FAD нет (такое бывает) вообще ничего не ощущают, потешаются над «метеозависимыми», полагая, что те страдают от самовнушения. Нет – реакция, похоже, объективная. Но не осознанная.

Подробнее в нашем материале.

А В ЭТО ВРЕМЯ

Светятся не только северные сияния

Нынешняя магнитная буря явила еще одно красочное явление в атмосфере. Наблюдатели в Северном полушарии – из США – фотографируют так называемые Стивы (STEVE – Strong Thermal Emission Velocity Enhancement) – эдакие узкие светящиеся ленты.

Первыми Стивы заметили и запечатлели энтузиасты, наблюдавшие за Северными сияниями. На снимки, которые они выкладывали в социальные сети, обратили внимание серьезные ученые. Посчитали разновидностями Северного сияния, полагая, что их вызывают потоки протонов. Однако наблюдения со спутников со временем продемонстрировали, что яркие ленты, светящиеся зеленым, фиолетовым или пурпурным светом, это не сполохи, а струи воздуха, нагретого до 3000 градусов и несущегося со скоростью 6 километров в секунду.

Причина явления – все те же: солнечный ветер или корональные выбросы.

СЛУШАЙТЕ ТАКЖЕ

Кто у динозавров уходил в отпуск по уходу за ребенком (подробнее)

Читайте также

Возрастная категория сайта 18+

Сетевое издание (сайт) зарегистрировано Роскомнадзором, свидетельство Эл № ФС77-80505 от 15 марта 2021 г.

ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР — НОСОВА ОЛЕСЯ ВЯЧЕСЛАВОВНА.

ШЕФ-РЕДАКТОР САЙТА – КАНСКИЙ ВИКТОР ФЕДОРОВИЧ.

АВТОР СОВРЕМЕННОЙ ВЕРСИИ ИЗДАНИЯ — СУНГОРКИН ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ.

Сообщения и комментарии читателей сайта размещаются без предварительного редактирования. Редакция оставляет за собой право удалить их с сайта или отредактировать, если указанные сообщения и комментарии являются злоупотреблением свободой массовой информации или нарушением иных требований закона.

АО “ИД “Комсомольская правда”. ИНН: 7714037217 ОГРН: 1027739295781 127015, Москва, Новодмитровская д. 2Б, Тел. +7 (495) 777-02-82.

Исключительные права на материалы, размещённые на интернет-сайте www.kp.ru, в соответствии с законодательством Российской Федерации об охране результатов интеллектуальной деятельности принадлежат АО «Издательский дом «Комсомольская правда», и не подлежат использованию другими лицами в какой бы то ни было форме без письменного разрешения правообладателя.

Приобретение авторских прав и связь с редакцией: [email protected]

11.3 Движение заряженной частицы в магнитном поле — University Physics Volume 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Объяснить, как заряженная частица во внешнем магнитном поле совершает круговое движение
• Объясните, как определить радиус кругового движения заряженной частицы в магнитном поле

Заряженная частица испытывает силу при движении через магнитное поле. Что произойдет, если это поле будет однородным по движению заряженной частицы? По какому пути движется частица? В этом разделе мы обсудим круговое движение заряженной частицы, а также другие движения, возникающие в результате попадания заряженной частицы в магнитное поле.

Простейший случай имеет место, когда заряженная частица движется перпендикулярно однородному B -полю (рис. 11.7). Если поле находится в вакууме, магнитное поле является доминирующим фактором, определяющим движение. Поскольку магнитная сила перпендикулярна направлению движения, заряженная частица движется по криволинейному пути в магнитном поле. Частица продолжает следовать по этому изогнутому пути, пока не образует полный круг. Другой способ взглянуть на это состоит в том, что магнитная сила всегда перпендикулярна скорости, так что она не действует на заряженную частицу. Таким образом, кинетическая энергия и скорость частицы остаются постоянными. Направление движения влияет, но не скорость.

Рисунок 11,7 Отрицательно заряженная частица движется в плоскости бумаги в области, где магнитное поле перпендикулярно бумаге (обозначается маленькими символами ××, похожими на хвостики стрелок). Магнитная сила перпендикулярна скорости, поэтому скорость изменяется по направлению, но не по величине.

В результате получается равномерное круговое движение. (Обратите внимание, что поскольку заряд отрицательный, сила противоположна по направлению предсказанию правила правой руки.)

В этой ситуации магнитная сила создает центростремительную силу Fc=mv2r.Fc=mv2r. Учитывая, что скорость перпендикулярна магнитному полю, величина магнитной силы уменьшается до F=qvB.F=qvB. Поскольку магнитная сила F обеспечивает центростремительную силу Fc,Fc, мы имеем

qvB=mv2r.qvB=mv2r.

11,4

Решение для r дает

r=mvqB.r=mvqB.

11,5

Здесь r – радиус кривизны пути заряженной частицы массой м и зарядом q , движущейся со скоростью v , перпендикулярной магнитному полю напряженностью B . Время прохождения заряженной частицей круговой траектории определяется как период, равный пройденному расстоянию (окружности), деленному на скорость. Основываясь на этом и уравнении 11.4, мы можем получить период движения как

T=2πrv=2πvmvqB=2πmqB.T=2πrv=2πvmvqB=2πmqB.

11,6

Если скорость не перпендикулярна магнитному полю, то мы можем сравнивать каждую составляющую скорости отдельно с магнитным полем. Составляющая скорости, перпендикулярная магнитному полю, создает магнитную силу, перпендикулярную как этой скорости, так и полю:

vperp=vsinθ,vpara=vcosθ.vperp=vsinθ,vpara=vcosθ.

11,7

где θθ — угол между v и B . Составляющая, параллельная магнитному полю, создает постоянное движение в том же направлении, что и магнитное поле, что также показано в уравнении 11.7. Параллельное движение определяет шаг

p спирали, который представляет собой расстояние между соседними витками. Это расстояние равно параллельной составляющей скорости, умноженной на период:

p=vparaT.p=vparaT.

11,8

Результатом является спиральное движение, как показано на следующем рисунке.

Рисунок 11,8 Заряженная частица, движущаяся со скоростью, не совпадающей с направлением магнитного поля. Составляющая скорости, перпендикулярная магнитному полю, создает круговое движение, тогда как составляющая скорости, параллельная полю, перемещает частицу по прямой линии. Шаг — это горизонтальное расстояние между двумя последовательными кругами. Результирующее движение является спиральным.

Когда заряженная частица движется по винтовой траектории, она может попасть в область, где магнитное поле не является однородным. В частности, предположим, что частица перемещается из области сильного магнитного поля в область более слабого поля, а затем обратно в область более сильного поля. Частица может отразиться назад, прежде чем попасть в область более сильного магнитного поля.

Это похоже на волну на струне, идущую от очень легкой тонкой струны к твердой стене и отражающуюся назад. Если отражение происходит с обоих концов, частица попадает в так называемую магнитную бутылку.

Частицы, захваченные магнитными полями, обнаружены в радиационных поясах Ван Аллена вокруг Земли, которые являются частью магнитного поля Земли. Эти пояса были обнаружены Джеймсом Ван Алленом при попытке измерить поток космических лучей на Земле (высокоэнергетические частицы, приходящие из-за пределов Солнечной системы), чтобы увидеть, похож ли он на поток, измеренный на Земле. Ван Аллен обнаружил, что из-за вклада частиц, захваченных магнитным полем Земли, поток на Земле был намного выше, чем в открытом космосе. Полярные сияния, как и знаменитое северное сияние (полярное сияние) в Северном полушарии (рис. 11.9).), представляют собой прекрасные проявления света, излучаемого при рекомбинации ионов с электронами, попадающими в атмосферу, когда они движутся по спирали вдоль силовых линий магнитного поля.

(Ионы в основном представляют собой атомы кислорода и азота, которые первоначально ионизируются в результате столкновений с энергичными частицами в атмосфере Земли.) Полярные сияния также наблюдались на других планетах, таких как Юпитер и Сатурн.

Рисунок 11,9 (а) Радиационные пояса Ван Аллена вокруг Земли захватывают ионы, образующиеся при попадании космических лучей в атмосферу Земли. (b) Великолепное зрелище северного сияния, или северного сияния, сияет в северном небе над Медвежьим озером возле базы ВВС Эйлсон, Аляска. Этот свет, сформированный магнитным полем Земли, создается светящимися молекулами и ионами кислорода и азота. (кредит b: модификация работы старшего летчика ВВС США Джошуа Странга)

Пример 11.2

Дефлектор луча

Исследовательская группа исследует короткоживущие радиоактивные изотопы. Им нужно разработать способ транспортировки альфа-частиц (ядер гелия) из места их образования в место, где они будут сталкиваться с другим материалом, образуя изотоп.

Пучок альфа-частиц (m=6,64×10-27 кг, q=3,2×10-19 Кл)(m=6,64×10-27 кг, q=3,2×10-19 Кл) преломляется через 90-градусную область с равномерным магнитное поле 0,050 Тл (рис. 11.10). а) В каком направлении должно быть приложено магнитное поле? б) Сколько времени требуется альфа-частицам, чтобы пересечь область однородного магнитного поля?

Рисунок 11.10 Вид сверху на установку дефлектора луча.

Стратегия

1. Направление магнитного поля показывает RHR-1. Ваши пальцы указывают в направлении v , а большой палец должен указывать в направлении силы, влево. Следовательно, поскольку альфа-частицы заряжены положительно, магнитное поле должно быть направлено вниз.
2. Период обращения альфа-частицы по окружности равен
   

   T=2πmqB.T=2πmqB.

   11,9

   
   Поскольку частица проходит только четверть круга, мы можем взять 0,25 периода, чтобы найти время, необходимое для прохождения этого пути.

Решение

1. Начнем с того, что сосредоточимся на альфа-частице, входящей в поле в нижней части изображения. Во-первых, наведите большой палец вверх на страницу. Чтобы ваша ладонь открылась влево, куда указывает центростремительная сила (и, следовательно, магнитная сила), ваши пальцы должны изменить ориентацию, пока они не укажут на страницу. Это направление приложенного магнитного поля.
2. Период обращения заряженной частицы по окружности рассчитывается с использованием заданных в задаче массы, заряда и магнитного поля. Это работает, чтобы быть

   T=2πmqB=2π(6,64×10-27 кг)(3,2×10-19C)(0,050T)=2,6×10-6s.T=2πmqB=2π(6,64×10-27кг)(3,2×10-19C) (0,050T)=2,6×10-6 с.

   Однако для данной задачи альфа-частица проходит четверть окружности, поэтому время, которое для этого потребуется, будет равно

   t=0,25×2,61×10-6с=6,5×10-7с.t=0,25×2,61×10-6с=6,5×10-7с.

Значение

Этого времени может быть достаточно, чтобы добраться до материала, который мы хотели бы бомбардировать, в зависимости от того, насколько короткоживущий радиоактивный изотоп продолжает испускать альфа-частицы. Если бы мы могли увеличить магнитное поле, приложенное к области, это сократило бы время еще больше. Путь, который должны пройти частицы, можно было бы сократить, но это может оказаться неэкономичным с учетом экспериментальной установки.

Проверьте свое понимание 11.2

Однородное магнитное поле магнитудой 1,5 Тл направлено горизонтально с запада на восток. а) Какова магнитная сила, действующая на протон в тот момент, когда он движется вертикально вниз в поле со скоростью 4×107м/с?4×107м/с? б) Сравните эту силу с весом w протона.

Пример 11.3

Винтовое движение в магнитном поле

Протон входит в однородное магнитное поле 1,0×10-4Тл1,0×10-4Тл со скоростью 5×105м/с.5×105м/с. Под каким углом должно быть магнитное поле от скорости, чтобы шаг результирующего винтового движения был равен радиусу спирали?

Стратегия

Шаг движения относится к параллельной скорости, умноженной на период кругового движения, тогда как радиус относится к перпендикулярной составляющей скорости. Установив радиус и шаг равными друг другу, найдите угол между магнитным полем и скоростью или θ.θ.

Решение

Шаг определяется уравнением 11.8, период определяется уравнением 11.6, а радиус кругового движения определяется уравнением 11.5. Обратите внимание, что скорость в уравнении радиуса связана только с перпендикулярной скоростью, при которой происходит круговое движение. Поэтому подставим синусоидальную составляющую общей скорости в уравнение радиуса, чтобы приравнять шаг и радиус:

p=rv∥T=mv⊥qBvcosθ2πmqB=mvsinθqB2π=tanθθ=81,0°.p=rv∥T=mv⊥qBvcosθ2πmqB=mvsinθqB2π=tanθθ=81,0°.

Значение

Если бы этот угол был равен 0°, 0°, то имела бы место только параллельная скорость и спираль не образовалась бы, потому что не было бы кругового движения в перпендикулярной плоскости. Если бы этот угол был равен 90°, 90°, то имело бы место только круговое движение и не было бы движения окружностей, перпендикулярных движению. Именно это создает спиральное движение.

Сила, действующая на движущийся заряд в магнитном поле: примеры и приложения

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Описывать воздействие магнитного поля на движущийся заряд.
• Рассчитайте радиус кривизны пути заряда, движущегося в магнитном поле.

Магнитная сила может заставить заряженную частицу двигаться по круговой или спиральной траектории. Космические лучи — это энергичные заряженные частицы в космическом пространстве, некоторые из которых приближаются к Земле. Магнитное поле Земли может заставить их двигаться по спирали. Протоны в гигантских ускорителях удерживаются на круговой траектории благодаря магнитной силе. На фотографии пузырьковой камеры на рисунке 1 показаны заряженные частицы, движущиеся по таким изогнутым траекториям. Искривленные траектории заряженных частиц в магнитных полях лежат в основе ряда явлений и даже могут использоваться аналитически, например, в масс-спектрометре.

Рис. 1. Следы пузырьков образуются заряженными частицами высокой энергии, движущимися через перегретый жидкий водород, в этой художественной интерпретации пузырьковой камеры. Существует сильное магнитное поле, перпендикулярное странице, что приводит к искривлению траекторий частиц. Радиус пути можно использовать для определения массы, заряда и энергии частицы.

Значит, магнитная сила вызывает круговое движение? Магнитная сила всегда перпендикулярна скорости, поэтому на заряженную частицу она не действует. Таким образом, кинетическая энергия и скорость частицы остаются постоянными. Направление движения влияет, но не скорость. Это характерно для равномерного кругового движения. Простейший случай имеет место, когда заряженная частица движется перпендикулярно однородной B -поле, как показано на рис. 2. (Если это происходит в вакууме, магнитное поле является доминирующим фактором, определяющим движение.) Здесь магнитная сила обеспечивает центростремительную силу F _c  = мв ² / р . Заметив, что sin θ = 1, мы видим, что F = qvB .

Рис. 2. Отрицательно заряженная частица движется в плоскости страницы в области, где магнитное поле перпендикулярно странице (представлено маленькими кружками с крестиком — как хвосты стрелок). Магнитная сила перпендикулярна скорости, поэтому скорость изменяется по направлению, но не по величине. Результат равномерного кругового движения. 9{2}}{r}\\[/латекс].

Решение для r дает

[латекс]r=\frac{mv}{qB}\\[/latex].

Здесь r – радиус кривизны пути заряженной частицы массой m и зарядом q , движущейся со скоростью v перпендикулярно магнитному полю напряженностью B . Если скорость не перпендикулярна магнитному полю, то v — составляющая скорости, перпендикулярная полю. Составляющая скорости, параллельная полю, не изменяется, так как магнитная сила равна нулю при движении параллельно полю. Это создает спиральное движение, а не круговое.

Пример 1. Расчет кривизны пути электрона, движущегося в магнитном поле: магнит на экране телевизора вместо ЖК-экранов) сильно искажает его изображение, изменяя путь электронов, которые заставляют его люминофоры светиться.

(Не пытайтесь повторить это дома, так как это приведет к необратимому намагничиванию и повреждению телевизора.) Чтобы проиллюстрировать это, рассчитайте радиус кривизны пути электрона, имеющего скорость 6,00 × 10 ⁷ м/с (соответствует ускоряющему напряжению около 10,0 кВ, используемому в некоторых телевизорах) перпендикулярно магнитному полю напряженностью В = 0,500 Тл (получаемое с помощью постоянных магнитов).

Рис. 1. Вид сбоку, показывающий, что происходит, когда магнит входит в контакт с монитором компьютера или экраном телевизора. Электроны движутся к экрану по спирали вокруг силовых линий магнитного поля, сохраняя составляющую своей скорости, параллельную силовым линиям. Это искажает изображение на экране. 9{-4}\text{ m}\end{array}\\[/latex]

или

r  = 0,683 мм.

Обсуждение

Маленький радиус указывает на большой эффект. Электроны в кинескопе телевизора вынуждены двигаться по очень узким кругам, сильно меняя свои траектории и искажая изображение.

На рисунке 2 показано, как электроны, движущиеся не перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, следуют за силовыми линиями. Составляющая скорости, параллельная линиям, не изменяется, поэтому заряды закручиваются вдоль силовых линий. Если напряженность поля увеличивается в направлении движения, поле будет прикладывать силу для замедления зарядов, образуя своего рода магнитное зеркало, как показано ниже.

Рис. 2. Когда заряженная частица движется вдоль линии магнитного поля в область, где поле становится сильнее, на частицу действует сила, уменьшающая составляющую скорости, параллельную полю. Эта сила замедляет движение вдоль силовой линии, а здесь меняет его направление, образуя «магнитное зеркало».

Свойства заряженных частиц в магнитных полях связаны с такими разными вещами, как Aurora Australis или Aurora Borealis и ускорителями частиц. Заряженные частицы, приближающиеся к силовым линиям магнитного поля, могут попасть на спиральные орбиты вокруг этих линий, а не пересекать их , как показано выше. Некоторые космические лучи, например, следуют линиям магнитного поля Земли, проникая в атмосферу вблизи магнитных полюсов и вызывая южное или северное сияние за счет ионизации молекул в атмосфере. Это свечение возбужденных атомов и молекул видно на рисунке 1 на стр. Те частицы, которые приближаются к средним широтам, должны пересекать силовые линии магнитного поля, и многие из них не могут проникнуть в атмосферу. Космические лучи являются компонентом фонового излучения; следовательно, они дают более высокую дозу радиации на полюсах, чем на экваторе.

Рис. 3. Энергичные электроны и протоны, компоненты космических лучей, от Солнца и глубокого космоса часто следуют за силовыми линиями магнитного поля Земли, а не пересекают их. (Напомним, что северный магнитный полюс Земли на самом деле является южным полюсом с точки зрения стержневого магнита.)

Некоторые прилетающие заряженные частицы захватываются магнитным полем Земли, образуя два пояса над атмосферой, известные как радиационные пояса Ван Аллена после первооткрыватель Джеймс А. Ван Аллен, американский астрофизик. (См. рис. 4.) Частицы, попавшие в эти пояса, образуют радиационные поля (аналогичные ядерному излучению) настолько интенсивные, что пилотируемые космические полеты избегают их, а спутники с чувствительной электроникой не попадают в них. За несколько минут, которые потребовались лунным миссиям для пересечения радиационных поясов Ван Аллена, астронавты получили дозы радиации, более чем в два раза превышающие допустимую годовую дозу радиационных работников. Подобные пояса есть и у других планет, особенно у тех, у которых сильные магнитные поля, таких как Юпитер.

Рис. 4. Радиационные пояса Ван Аллена представляют собой две области, в которых энергичные заряженные частицы захватываются магнитным полем Земли. Один пояс лежит на высоте около 300 км над поверхностью Земли, другой — около 16 000 км. Заряженные частицы в этих поясах мигрируют вдоль силовых линий магнитного поля и частично отражаются от полюсов более сильными там полями. Заряженные частицы, попадающие в атмосферу, восполняются Солнцем и источниками в глубоком космосе.

На Земле у нас есть устройства, использующие магнитные поля для удержания заряженных частиц. Среди них гигантские ускорители частиц, которые использовались для изучения субструктуры материи. (См. рис. 5.) Магнитные поля не только контролируют направление заряженных частиц, они также используются для фокусировки частиц в пучки и преодоления отталкивания одноименных зарядов в этих пучках.

Рис. 5. Лаборатория Фермилаб в Иллинойсе имеет большой ускоритель частиц (самый мощный в мире до 2008 г.), который использует магнитные поля (магниты показаны здесь оранжевым цветом) для сдерживания и направления луча. Этот и другие ускорители используются уже несколько десятилетий и позволили нам открыть некоторые законы, лежащие в основе всей материи. (кредит: ammcrim, Flickr)

Термоядерный синтез (подобный происходящему на Солнце) — это надежда на будущий источник чистой энергии. Одним из самых перспективных устройств является 9Токамак 0165 , который использует магнитные поля для удержания (или захвата) и направления реактивных заряженных частиц. (См. рис. 6.) Менее экзотические, но более практичные усилители в микроволновых печах используют магнитное поле для сдерживания колеблющихся электронов. Эти колеблющиеся электроны генерируют микроволны, направляемые в духовку.

Рисунок 6. Токамаки, подобные показанному на рисунке, изучаются с целью экономичного производства энергии путем ядерного синтеза. Магнитные поля в устройстве в форме пончика удерживают и направляют реактивные заряженные частицы. (кредит: Дэвид Меллис, Flickr)

Масс-спектрометры имеют различные конструкции, и многие из них используют магнитные поля для измерения массы. Кривизна пути заряженной частицы в поле связана с ее массой и измеряется для получения информации о массе. (См. Дополнительные применения магнетизма .) Исторически такие методы использовались при первых прямых наблюдениях за зарядом и массой электрона. Сегодня масс-спектрометры (иногда в сочетании с газовыми хроматографами) используются для определения состава и последовательности крупных биологических молекул.

• Магнитная сила может создавать центростремительную силу и заставлять заряженную частицу двигаться по круговой траектории радиуса

  [латекс]r=\frac{mv}{qB}\\[/латекс]

  где v  это составляющая скорости, перпендикулярная B  для заряженной частицы с массой m   и зарядом q .

Концептуальные вопросы

1. Как можно использовать движение заряженной частицы, чтобы отличить магнитное поле от электрического?

2. Высокоскоростные заряженные частицы могут повреждать биологические клетки и являются компонентом радиационного облучения в самых разных местах, от исследовательских учреждений до естественного фона. Опишите, как вы можете использовать магнитное поле, чтобы защитить себя.

3. Если протон космических лучей приблизится к Земле из космоса по линии к центру Земли, лежащей в плоскости экватора, в какую сторону он будет отклонен магнитным полем Земли? А электрон? Нейтрон?

4. Каковы знаки зарядов частиц на рис. 9?

Рисунок 9.

5. Какая из частиц на рисунке 10 имеет наибольшую скорость, если предположить, что они имеют одинаковые заряды и массы?

Рисунок 10.

6. Какая из частиц на рисунке 10 имеет наибольшую массу, если предположить, что все они имеют одинаковые заряды и скорости?

7. Во время работы высокоточный ТВ-монитор кладут на бок во время технического обслуживания. Изображение на мониторе меняет цвет и слегка расплывается. Обсудите возможную связь этих эффектов с магнитным полем Земли.

Задачи и упражнения

Если вам нужна дополнительная поддержка по этим задачам, см. Дополнительные приложения магнетизма.

1. Электрон космических лучей движется со скоростью 7,50 × 10 ⁶ м/с перпендикулярно магнитному полю Земли на высоте, где напряженность поля составляет 1,00 × 10 ⁻⁵ Тл. Каков радиус кругового пути электрона? следует?

2. Протон движется со скоростью 7,50 × 10 ⁷ перпендикулярно магнитному полю. Поле заставляет протон двигаться по круговой траектории радиусом 0,800 м. Какова напряженность поля?

3. (a) Зрители Star Trek слышат о приводе антиматерии на звездолете Enterprise . Одна из возможностей такого футуристического источника энергии — хранить заряженные частицы антивещества в вакуумной камере, циркулирующей в магнитном поле, а затем извлекать их по мере необходимости. Антивещество аннигилирует с обычным веществом, производя чистую энергию. Магнитное поле какой силы необходимо для удержания антипротонов, движущихся со скоростью 5,00 × 10 ⁷ м/с по круговой траектории радиусом 2,00 м? Антипротоны имеют ту же массу, что и протоны, но противоположный (отрицательный) заряд. (б) Достижима ли эта напряженность поля с помощью сегодняшних технологий или это футуристическая возможность?

4. (a) Ион кислорода-16 с массой 2,66 × 10 ⁻²⁶ кг движется со скоростью 5,00 × 10 ⁶ м/с перпендикулярно магнитному полю напряженностью 1,20 Тл, что заставляет его двигаться в дуга окружности радиусом 0,231 м. Какой положительный заряд имеет ион? б) Каково отношение этого заряда к заряду электрона? (c) Обсудите, почему отношение, найденное в (b), должно быть целым числом.

5. Круговой путь какого радиуса проходит электрон, если он движется с той же скоростью и в том же магнитном поле, что и протон под номером 2?

6. Селектор скорости в масс-спектрометре использует магнитное поле 0,100 Тл. а) Какая напряженность электрического поля необходима, чтобы выбрать скорость 4,00 × 10 ⁶ м/с? б) Чему равно напряжение между пластинами, если расстояние между ними 1 см?

7. Электрон в ТВ ЭЛТ движется со скоростью 6,00 × 10 ⁷  м/с в направлении, перпендикулярном полю Земли, напряженность которого составляет 5,00 × 10 ⁻⁵ Тл. ) Электрическое поле какой напряженности необходимо приложить перпендикулярно полю Земли, чтобы заставить электрон двигаться прямолинейно? (b) Если это сделать между пластинами, расстояние между которыми составляет 1,00 см, какое напряжение будет приложено? (Обратите внимание, что телевизоры обычно окружены ферромагнитным материалом для защиты от внешних магнитных полей и устранения необходимости такой коррекции.)

8. (a) С какой скоростью протон будет двигаться по круговой траектории того же радиуса, что и электрон в вопросе 2? б) Каким был бы радиус пути, если бы скорость протона была такой же, как у электрона? в) Чему был бы равен радиус, если бы протон имел ту же кинетическую энергию, что и электрон? г) один и тот же импульс?

9. Масс-спектрометр используется для отделения обычного кислорода-16 от гораздо более редкого кислорода-18, взятого из образца старого ледникового льда. (Относительное содержание этих изотопов кислорода связано с климатической температурой во время отложения льда. ) Отношение масс этих двух ионов составляет 16 к 18, масса кислорода-16 составляет 2,66 × 10 9 .0173 −26 кг, однозарядные и движутся со скоростью 5,00 × 10 ⁶ м/с в магнитном поле 1,20 Тл. Каково расстояние между их путями, когда они попадают в цель после прохождения полукруга?

10. (a) Трехзарядные ионы урана-235 и урана-238 разделяются в масс-спектрометре. (Намного реже уран-235 используется в качестве реакторного топлива.) Массы ионов составляют 3,90 × 10 ^-25 кг и 3,95 × 10 ^-25 кг соответственно, и они движутся со скоростью 3,00 × 10 ⁵  м/с в поле 0,250 Тл. Каково расстояние между их путями, когда они попадают в цель после прохождения полукруга? (b) Обсудите, кажется ли это расстояние между их путями достаточно большим, чтобы его можно было использовать при отделении урана-235 от урана-238.

Избранные решения задач и упражнений

1. 4,27 м

3. (а) 0,261 Тл (б) Эта сила определенно достижима с помощью современных технологий.