21.6: Додатки

Last updated
Save as PDF

Page ID: 75359

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

У цьому розділі ми коротко окреслимо кілька застосувань магнітної сили.

Селектор швидкості і мас-спектрометр

У прикладі 21.2.1 ми описали, як заряджені частинки з різним співвідношенням заряду до маси будуть піддаватися рівномірному круговому руху з різними радіусами, якщо всі вони мають однакову швидкість. Цей принцип використовується в мас-спектрометрах, які є пристроями, здатними виявляти слідові кількості речовини в зразку. Наприклад, коли ваша сумка промащується липкою стрічкою під час перевірки безпеки в аеропорту, цей шматок липкої стрічки потім аналізується мас-спектрометром.

Стрічка випаровується таким чином, щоб іонізувати атоми на стрічці. Потім іони прискорюються через електричну різницю потенціалів, а потім проходять через область з магнітним полем. Іони зазвичай виконують половину кругової орбіти перед виявленням, як показано на малюнку\(\PageIndex{1}\). Співвідношення заряду до маси іонів визначається за радіусом їх орбіти. Зазвичай їх заряд або в один, або в два рази перевищує заряд електронів, що дозволяє визначати їх масу.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Ілюстрація того, як мас-спектрометр може розділяти іони на основі їх співвідношення заряду до маси. Детектор розміщений для вимірювання кількості іонів, які з'являються на кожному радіусі, що дозволяє визначити склад зразка.

Для того, щоб мас-спектрометр функціонував так, як спроектовано, важливо, щоб всі заряджені частинки потрапляли в область магнітного поля з однаковою швидкістю. Селектор швидкості - це пристрій, який об'єднує перпендикулярне електричне і магнітне поля для того, щоб вибрати тільки частинки певної швидкості, незалежно від їх маси. Селектор швидкості проілюстрований на малюнку\(\PageIndex{2}\)

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Ілюстрація селектора швидкості. Тільки заряджені частинки з певною швидкістю можуть пройти його, не стикаючись з однією з пластин.

У селекторі швидкості діє як електрична, так і магнітна сила. \(\PageIndex{2}\)На малюнку зображена позитивна частинка, що рухається вправо зі швидкістю,\(v\). Частинка буде відчувати вгору електричну силу і вниз магнітну силу. Якщо ці дві сили рівні, то частка буде рухатися по прямій. Якщо замість цього одна з сил буде більше іншої, частка відхилиться і вдарить по одній із заряджених пластин. Умова рівності двох сил задається:\[\begin{aligned} F_B &= F_E\\ qvB &= qE\\ \therefore v=\frac{E}{B}\end{aligned}\] Таким чином, електричне і магнітне поля можна налаштувати так, щоб їх співвідношення давало потрібну швидкість. Зверніть увагу, що селектор швидкості працює незалежно від знака заряду або його маси, що робить його ідеальним для фільтрації частинок, що надходять в мас-спектрометр.

Гальванометр

Гальванометр використовує магнітну силу для вимірювання електричного струму. У гальванометрі котушка (багато петель) поміщається в відоме магнітне поле. У міру проходження струму через котушку магнітний дипольний момент котушки збільшується, а магнітне поле надає крутний момент на котушку. Крутний момент від магнітної сили врівноважується відновлюючим крутним моментом пружини кручення (пружиною). До котушки кріпиться голка, і відхилення голки, пропорційне струму в котушці, потім є мірою струму через котушку. Гальванометр проілюстрований на малюнку\(\PageIndex{3}\).

Електродвигун

В електродвигуні струмоведуча котушка (безліч петель) занурена в нерухоме і однорідне магнітне поле. Коли струм проходить через котушку, котушка відчуває крутний момент і обертається. Після того, як котушка досягла положення, коли її вектор магнітного дипольного моменту паралельний магнітному полю, напрямок струму змінюється, так що котушка продовжує відчувати крутний момент ще на половину обороту, поки напрямок струму знову не зміниться. Це проілюстровано на рис\(\PageIndex{4}\).

Електронно-променева трубка

Електронно-променева трубка є основним компонентом старих телевізорів і моніторів. У цих приладах промінь електронів прискорюється електричною різницею потенціалів. Потім електрони потрапляють на фосфоресцентний екран, який випромінює світло, коли електрони стикаються з екраном. Магнітне поле використовується для відхилення електронного пучка до різних частин екрану та створення потрібного зображення швидким змітаючим рухом, досить швидко, щоб людське око не могло виявити розмашистий рух. Приклад електронно-променевої трубки показаний на рис\(\PageIndex{5}\).

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Ілюстрація електронно-променевої трубки з видом збоку (зверху) та видом зверху (знизу). Магнітне поле використовується для відхилення пучка електронів на екран. Перпендикулярні магнітні поля використовуються для швидкого зміщення променя по всьому екрану для створення зображення.

Гучномовець

У гучномовці котушка занурена в неоднорідне магнітне поле. Котушка прикріплена до мембрани так, що мембрана рухається разом з котушкою при впливі на котушку магнітної сили. Струм змінного струму циркулює в котушці, з тими ж частотами, що і потрібний звук. Потім котушка рухається на цих частотах, і мембрана потім витісняє повітря, створюючи бажані звукові хвилі.

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Ілюстрація гучного динаміка. Коли струм рухається через котушку, котушка штовхається вперед і назад магнітною силою, що чиниться постійним магнітом. Рух передається мембрані, яка переміщує повітря і створює звукову хвилю.