Электромагнитное поле: примеры и применение

Физика > Примеры и применение

 

Изучите воздействие и применение электромагнитного поля: циклотрон, магнетрон и масс-спектрометр. Узнайте, как использовать магнитное и электрическое поля.

Электромагнитные поля находят практическое применение в циклотронах, магнетронах и масс-спектрометрах.

Задача обучения

• Рассмотреть использование масс-спектрометров, перемещение заряженных частиц в циклотроне и методы создания микроволн.

Основные пункты

• Циклотрон – разновидность ускорителя частичек, где элементы с зарядами ускоряются от центра наружу по спиральным дорожкам. Траектория поддерживается магнитным полем.
• Равнорезонаторный магнетрон – мощная вакуумная трубка, генерирующая микроволны, которая основывается на контакте электронов и магнитного поля.
• Масс-спектрометры занимаются вычислением соотношения массы и заряда частиц при помощи электромагнитных полей.

Термины

• Магнетрон – камера специальной формы, где формируется микроволновое излучение.
• Масс-спектрометр – прибор для нахождения массового состава вещества.
• Циклотрон – ускоритель, где заряженные частички генерируются в центральном источнике и ускоряются наружу по спиральным путям.

Обзор

Частички с зарядом в магнитном поле последуют по круговому/спиральному пути, основываясь на выравнивании векторов магнитного поля и скорости. В итоге, это можно использовать в практических целях. Многие приборы в своей основе применяют принцип перемещения заряженных частиц в электромагнитных полях.

Циклотроны и синхротроны

Циклотрон представляет собою тип ускорителя, где частички с зарядами ускоряются от центра наружу по спиральным дорожкам. Статическое магнитное поле сохраняет спиральную траекторию, а ускорения задаются стремительно меняющимся электрическим полем.

Частичка ускоряется в циклотроне и выбрасывается сквозь пучок

Для ускорения пучков заряженных частиц циклотроны применяют высокочастотное переменное напряжение, используемое между двумя D-образными электродами. Дополнительное статическое магнитное поле выступает перпендикулярным по отношению к плоскости электрода, из-за чего частицы постоянно сталкиваются. Поэтому частота напряжения обязана сходиться с частотой циклотронного резонанса частицы:

Частота определяется равенством центростремительной и магнитной силы Лоренца. Введенные ближе к центру частички увеличивают свою кинетическую энергию, поэтому перемещаются по спиральному пути. Радиус будет также расти, пока они не попадут в цель вакуумной камеры или не вылетят из прибора. Подобные ускоренные частички можно использовать для лечения некоторых видов рака.

Синхротрон – улучшенная версия циклотрона, где направляющее магнитное поле основывается на времени и синхронизуется с пучком частичек и ростом кинетической энергии. Это одна из первых концепций ускорителя, с чьей помощью можно создавать крупномасштабные объекты.

Равнорезонаторный магнетрон

Это мощная вакуумная трубка, генерирующая микроволны, основываясь на контакте электронов и магнитного поля. Все они представлены горячим катодом в высоким отрицательным потенциалом, которые формируется из-за высоковольтного источника постоянного тока. Катод вставлен в центр изолированной круглой камеры. Постоянный магнит организовывает магнитное поле. По окружности расставлены цилиндрические полости, открытые вдоль длины и объединяющие пространство общей полости. Когда электроны проходят мимо, то создают резонансное высокочастотное радиополе, что приводит к группировке электронов.

Резонансная частота определяется размерами полостей. Магнетрон – автоматические колебательный прибор, которому из внешних элементов нужен лишь источник питания. Используется в радаре, нагревании (микроволновая печь) и освещении.

Масс-спектрометры

Аналитический метод измерения отношения массы и заряда частички. С его помощью можно вычислить элементарный состав молекулы.

В массовом анализе отделяются ионы. Динамика заряженных частиц в электрическом и магнитном вакуумных полях определяется следующими двумя законами:

F = Q (E + v × B)

F = та

Если сравнять их:

(М/Q)а = Е + v × B

Есть много разновидностей масс-анализаторов, применяющих статическое, динамическое, магнитное или электрическое поля. Но все они функционируют на указанных уравнениях.

На нижнем рисунке отображен один из типов масс-спектрометра. Соотношение массы и заряда влияет на отклонение частиц. Если мы сталкиваемся с изотопным диоксидом углерода, то каждая молекула сходится по заряду, но отличается по массе. Прибор разделит частицы и позволит детектору вычислить это соотношение. Заряд нам неизвестен, поэтому абсолютная масса выводится тривиально. Для относительного количества понадобится подсчитать число частичек в каждой заданной массе.

---