Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца. Ускорители элементарных частиц.

Из опыта известно, что магнитное поле оказывает действие не только на проводники с током, но и на отдельные заряды, которые движутся в магнитном поле. Сила, которая действует на электрический заряд Q, движущийся в магнитном поле со скоростью v, называется силой Лоренца и задается выражением

 

(1)

 

где В — индукция магнитного поля, в котором заряд движется.

 

Чтобы определить направление силы Лоренца используем правило левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы в нее входил вектор В, а четыре вытянутых пальца направить вдоль вектора v (для Q> 0 направления I и v совпадают, для Q< 0 — противоположны), то отогнутый большой палец покажет направление силы, которая действует на положительный заряд. На рис. 1 продемонстрирована взаимная ориентация векторов v, В (поле имеет направление на нас, на рисунке показано точками) и F для положительного заряда. Если заряд отрицательный, то сила действует в противоположном направлении. Модуль силы Лоренца, как уже известно, равен

 

 

где α — угол между v и В.

 

Подчеркнем еще раз, что магнитное поле не оказывает действия на покоящийся электрический заряд. Этим магнитное поле существенно отличается от электрического. Магнитное поле действует только на движущиеся в нем заряды.

 

Зная действие силы Лоренца на заряд можно найти модуль и направление вектора В, и формула для силы Лоренца может быть применена для нахождения вектора магнитной индукции В.

 

Поскольку сила Лоренца всегда перпендикулярна скорости движения заряженной частицы, то данная сила может менять только направление этой скорости, не изменяя при этом ее модуля. Значит, сила Лоренца работы не совершает. Другими словами, постоянное магнитное поле не совершает работы над движущейся в этом поле заряженной частицей и, следовательно, кинетическая энергия этой частицы при движении в магнитном поле не изменяется.

 

В случае, если на движущийся электрический заряд вместе с магнитным полем с индукцией В действует еще и электрическое поле с напряженностью Е, то суммарная результирующая сила F, которая приложена приложенная к заряду, равна векторной сумме сил — силы, действующей со стороны электрического поля, и силы Лоренца:

Это выражение носит название формулы Лоренца. Скорость v в этой формуле есть скорость заряда относительно магнитного поля.

Сила Лоренца — сила, с которой, в рамках классической физики, электромагнитное поле действует на точечную заряженную частицу. Иногда, силой Лоренца называют силу, действующую на движущийся со скоростью заряд лишь со стороны магнитного поля, нередко же полную силу — со стороны электромагнитного поля вообще[1] иначе говоря, со стороны электрического и магнитного полей в СИ:

 

Ускорители элементарных частиц

 

Как происходит любой эксперимент с элементарными частицами? Имеется пучок первичных частиц. Этот пучок частиц направляется на мишень. Мишенью служат ядра атомов какого-нибудь элемента.

 

Очень часто с этой целью используется водород, поскольку его ядра являются протонами. Первичные частицы, налетая на ядра мишени, взаимодействуют с ними и возникают различные ядерные реакции, в процессе которых могут рождаться и новые элементарные частицы. Продукты реакции, разлетаясь в разные стороны, регистрируются приборами, их траектории измеряются и на основе анализа этих и других измерений делаются заключения о свойствах как самой ядерной реакции, так и характеристиках вызвавшего ее взаимодействия, а также вывод о свойствах возникших в ходе реакции новых элементарных частиц. В общих чертах именно таким образом проходит любой эксперимент в лаборатории, имеющей дело с элементарными частицами. Поэтому как минимум необходим первичный пучок частиц, с которыми ведутся все последующие работы. Именно такие первичные пучки получаются на ускорителях элементарных частиц.

В настоящее время умеют ускорять заряженные частицы — электроны и протоны. И весь прогресс в физике элементарных частиц связан с развитием электронных и протонных ускорителей. Чем до больших скоростей разогнан первоначальный пучок протонов и электронов, тем разнообразнее и интереснее возможности осуществления различных ядерных реакций при ударе о мишень, тем больше может рождаться новых частиц. Поэтому физические лаборатории, построив ускорители на относительно большие энергии, пришли в 50-е и 60-е годы к такому обилию интересных результатов. Напомним, как происходит ускорение заряженной частицы в ускорителе. Для этого важно принять во внимание очень простой факт. Любая заряженная частица, движущаяся в магнитном поле, наменяет свою скорость таким образом, что, не приобретая энергии, движется все время по кругу, если поле одинаково по силе и направлению на всем пути движения частицы. Этот важный факт обусловлен существованием так называемой силы Лоренца, с которой магнитное поле действует на любой электрический заряд. Причем положительно и отрицательно заряженные частицы движутся в противоположных направлениях. Чем с большей скоростью пролетает заряженная частица в заданном поле и чем больше ее масса, тем труднее магнитному полю изменить ее траекторию и тем прямее эта траектория, т. е. такая частица движется по кругу с большим радиусом. С другой стороны, если Магнитное поле очень сильное, оно быстро меняет траекторию частицы. Следовательно, частица при той же скорости и массе движется по кругу с меньшим радиусом в более сильном магнитном поле.

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться: