Движение ионов в магнитном и электрическом полях.

C:\www\doc2html\work\content\models\fotoef.htmlРабочее окно

Вид рабочего окна приведен на Рис. 1.1. В левой части рабочего окна приведена модель движение ионов в магнитном поле. В ней вычисляется и отображается на экране компьютера в координатных осях XYZ траектория движения положительно заряженной частицы. Вследствие малости массы частиц силы гравитации не учитываются. Движение рассматривается в условиях вакуумной камеры, без потерь на сопротивление движению и излучение электромагнитных волн.

Рисунок 1.1.

В правой верхней части рабочего окна приведена схема с направлением магнитного и электрического поля, направлением скорости иона и действующей на ион силы Лоренца. В нижней правой части расположены окна, в которых можно менять заряд иона, его массу, величину и направление скорости, величину вектора индукции магнитного поля, величину и направление вектора напряженности электрического поля . Кнопка Пуск запускает модель, а кнопка Стоп останавливает. Ниже кнопок расположен индикатор показывающий время соответствующее реальному процессу.

Измерения проводятся с использованием двух перемещаемых при помощи мыши линеек. Предварительно необходимо увеличить рабочую область окна. Увеличение и уменьшение рабочей области осуществляется при нажатой правой клавиши мыши.

Для открытия рабочего окна нажмите на его изображение.

Лабораторная работа № 2. Теория

Движение ионов в магнитном и электрическом полях.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Дать представление студентам о закономерностях движения заряженных частиц в однородных магнитном и электрическом полях.

Основные положения

В однородном стационарном магнитном поле на движущуюся заряженную частицу действует сила Лоренца
 F = q [VB] или в скалярной форме записи

F = qVB sin(α) = qV_^ B,

где q – заряд частицы;

V – скорость влета частицы в область магнитного поля;

V_┴ – составляющая скорости влета, перпендикулярная вектору B;

B – индукция магнитного поля;

α – угол между векторами V и B.

Сила Лоренца всегда играет роль центростремительной силы, удерживающей тело на криволинейной траектории, в самом общем случае имеющей форму спирали. Шаг спирали определяется составляющей скорости влета V_║, которая направлена параллельно вектору индукции поля B:  

V_║=Vcos(α)= Vsin(90–α

Как известно, Земля обладает магнитным полем, поэтому заряженные частицы, попадающие из космического пространства в область магнитосферы, движутся по различным траекториям, в зависимости от массы и электрического заряда частицы, от величины и направления скорости движения и от величины индукции магнитного поля в разных частях магнитосферы Земли (рис. 1.1).

Рисунок 1.1.

В электрическом поле на заряженную частицу действует сила пропорциональная заряду частицы и величине напряженности поля,

F = q E, где E – величина вектора напряженности электрического поля.

В однородном электрическом поле заряженные частицы движутся прямолинейно и ускоренно, причем отрицательно заряженные движутся против направления вектора E .

В области суперпозиции магнитного и электрического полей заряженные частицы движутся под действием двух независимо действующих сил и траектория движения зависит от направления вектора скорости V по отношению к векторам E и B, а так же от взаимной ориентации векторов напряженности и индукции.

Если вектор E электрического поля параллелен или антипараллелен вектору B, то действующие на заряженную частицу силы будут взаимно перпендикулярны.

В случае скрещенных полей E^B, эти силы будут действовать в плоскости перпендикулярной вектору B. В результате действия электрического поля, составляющая скорости V_^ будет меняться, а значит, будет и изменяться и сила Лоренца. Это приведет к "дрейфу" заряда, в направлении [EB], то есть перпендикулярно векторам напряженности и индукции. Если V_║ =0, движение будет происходить, только в плоскости ^ B и складываться из двух движений: равномерного со скоростью дрейфа V_д = E/B и кругового. Период кругового движения T = (2πm)/(qB), а радиус R =ê(V₀ -Vд)(2π/T)ê, где V₀ - начальная скорость заряда.