Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная работа

на тему: Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях

Введение

Попадая в электрические и магнитные поля заряженные частицы оказываются под действием определенных сил и изменяют свое первоначальное движение. Изучая эти движения можно определить отношение заряда к массе q/m и отсюда получить ценные сведения о природе этих частиц. Воздействуя на потоки электронов и ионов электрическими и магнитными полями можно управлять этими потоками, т.е. изменять их силу и направление движения, это лежит в основе действия различных важных электронных приборов (осциллографов, электронных микроскопов, ускорителей заряженных частиц, телевизионных трубок и др.).

1. Однородное электрическое поле

Пусть частица, двигавшаяся со скоростью v₀ вдоль оси х, попадает в электрическое поле. Предполагается, что зазор между пластинами мал по сравнению с их длиной l. Ось у параллельна полю, т.е. Е_у = Е. Магнитного поля нет. На заряженную частицу действует только сила электрического поля и направлена она вдоль оси у.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Траектория движения частицы лежит в плоскости ху и уравнения движения принимают вид:

Движение происходит под действием постоянной силы и подобно движению горизонтально брошенного тела в поле сил тяжести. Поэтому ясно, что частица будет двигаться по параболе.

Вычислим угол , на который отклонится пучок частиц после прохождения через конденсатор. Интегрируя первое уравнение, находим

Интегрирование второго уравнения дает

где t = l/v₀ - время нахождения частицы в поле. При t = 0 v₀ =0, следовательно С=0, и окончательно

Угол отклонения найдем из выражения

Отклонение пучка существенно зависит от удельного заряда частицы.

2. Однородное магнитное поле

Рассмотрим теперь случай, когда нет электрического поля, но имеется магнитное поле.

Пусть частица обладающая начальной скоростью v₀, попадает в магнитное поле с индукцией В. Это поле однородно и перпендикулярно к скорости v₀. Из формулы

следует, что действующая на частицу сила всегда перпендикулярна к скорости движения частицы. Это значит, что работа этой силы всегда равна нулю. Следовательно, модуль скорости и энергия частицы остаются постоянными при движении. Модуль силы

F=qvB

также остается постоянным. Эта сила, будучи перпендикулярной к направлению движения, является центростремительной силой. Но движение под действием постоянной по модулю центростремительной силы есть движение по окружности. Радиус этой окружности определяется из условия:

,

откуда

Кругообразное движение заряженных частиц в магнитном поле обладает важной особенностью: период обращения не зависит от энергии частицы. Действительно, период обращения равен

,

подставляя сюда r, имеем

Частота

называется циклотронной частотой. Если начальная скорость частица составляет некоторый угол с направлением поля, то в этом случае удобно разложить скорость v₀ на две составляющие, одна из которых параллельна полю, а другая перпендикулярна полю. На частицу действует сила Лоренца, обусловленная составляющей v_n , и и частица движется по окружности, лежащей в плоскости, перпендикулярной полю. Составляющая v не вызывает появления добавочной силы, поэтому в направлении поля частица движется по инерции, равномерно, со скоростью . В результате сложения обоих движений частица будет двигаться по цилиндрической спирали. Шаг винта этой спирали равен . Подставляя вместо Т его выражение имеем

Задача 1. В момент t = 0 из одной пластины плоского конденсатора вылетел электрон с пренебрежительно малой скоростью. Между пластинами приложено ускоряющее напряжение, меняющееся во времени по закону , где = 100 В/с. Расстояние между пластинами l = 5 см. С какой скоростью электрон полетит к противоположной пластине?

Запишем второй закон Ньютона:

Учитывая, что

исходное уравнение можно записать в виде

отсюда, после интегрирования

(1)

С другой стороны

Подставим это в (1)

где е = 1,610^-19 Кл, m = 9,110³¹ Кл.

Задача 2. Протон, ускоренный разностью потенциалов U = 500 кВ, пролетает поперечное магнитное поле с индукцией В = 0,51 Тл. Толщина области с полем d = 10 см. Найти угол отклонения протона от первоначального направления.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

В магнитном поле на электрон действует сила Лоренца, перпендикулярная скорости. Электрон начнет двигаться по окружности радиуса R. Так как диаметр окружности больше толщины области с полем, то электрон вылетает из этой области по касательной к окружности. Итак

При ускорении электрона в электрическом поле

,

Тогда

Из рисунка

Задача 3. Электрон, ускоренный разностью потенциалов U = 1 кВ, движется в однородном магнитном поле под углом = 0 к вектору В, модуль которого В = 29 мТл. Найти шаг винтовой траектории электрона.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

В этом случае удобно разложить скорость v₀ на две составляющие, одна из которых параллельна полю, а другая перпендикулярна к полю. На частицу действует сила Лоренца, Обусловленная составляющей v_n, и частица движется по окружности, лежащей в плоскости перпендикулярной к полю. Составляющая v_t не вызывает появления добавочной силы, так как сила Лоренца при движении частицы параллельно полю равна нулю. Поэтому в направлении поля частица движется по инерции, равномерно, со скоростью . В результате сложения обоих движений частица будет двигаться по цилиндрической спирали. Шаг винта этой спирали .

Найдем Т:

.

С другой стороны

.

Из двух последних формул находим

.

Шаг винта спирали

Так как электрон ускоряется разностью потенциалов U, то

Окончательно имеем

Задача 4. Электрон, ускоренный разностью потенциалов 100 В, влетает в однородное магнитное поле под углом 30? к линиям магнитной индукции. Сделав 5 оборотов по винтовой траектории, он пролетает область длиной 10 см. Найти радиус и шаг винтовой траектории, а так же индукцию магнитного поля.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Скорость электрона найдем из уравнения

Проекции скорости:

Время, за которое электрон сделал n оборотов

Круговая частота вращения электрона (угловая скорость)

.

Определим радиус вращения

R = 1,84•10^-3 м.

Шаг винтовой траектории .

Индукцию магнитного поля определим из формулы для центростремительной силы

С учетом того, что , получим

Задача 5. Электрон влетает в однородное электрическое поле с начальной скоростью v₀ = 10⁷ м/с под углом б = 60? к оси х, перпендикулярной к силовым линиям этого поля, и через некоторое время вновь пересекает эту ось. Напряженность поля Е=10⁴ В/м. Определить расстояние между точками, в которых электрон пересек ось х и найти скорость электрона в момент повторного пересечения оси х.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Запишем уравнение движения вдоль оси у:

В момент пересечения с осью х , т.е.

Расстояние . Окончательно, подставим t₁ из (2), получим

Скорость вдоль оси у равна и тогда

Скорость по модулю такая же как при влете, но направление другое.

Задача 6. Оценить время, за которое электрон, движущийся вокруг ядра атома водорода по орбите радиусом 0,5•10^-10 м, упал бы на ядро, если бы он терял энергию на излучение в соответствии с классической теорией:

где а - ускорение электрона, е - заряд электрона, с - скорость света. Для простоты считать, что в любой момент падения электрон движется равномерно по окружности соответственного радиуса.

При движении электрона по окружности

(3)

Из последнего соотношения получим

Полная энергия электрона на орбите

где

(4)

(5)

С учетом (3):

Из (4) получим

.

Учитывая (5)

где r₀ = 0,5•10^-10 м. После подстановки чисел имеем

3. Определение удельного заряда электронов методом магнитной фокусировки

Отклонение, испытываемое заряженными частицами в электрическом и магнитном полях, существенно зависят от удельного заряда частиц. Поэтому, измеряя это отклонение, можно определить удельный заряд частиц . Если скорость частиц известна, то достаточно измерить лишь одно из отклонений - либо в магнитном, либо в электрическом поле.

Примером такого подхода может служить метод магнитной фокусировки для определения удельного заряда электронов. Электроны с заданной скоростью проходят через диафрагму, которая имеет кольцевую щель, причем центр соответствующей ей окружности лежит на оси пучка. Эта диафрагма пропускает только те электроны, которые движутся по образующим конуса с углом раскрытия 2. Вся система находится внутри цилиндрической стеклянной трубки, из которой выкачан воздух. На трубку снаружи надевается длинная катушка (соленоид), создающая внутри трубки однородное магнитное поле с известной индукцией В, направленной параллельно оси пучка.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

В этом случае электрон движутся по цилиндрическим спиралям и попадают на люминисцирущий экран Э. На рис. К - накаленная проволока. Ускоряющее электрическое поле создается между проволокой и диафрагмой Д₁. Все электроны, вышедшие из диафрагмы под одним и тем же углом , вновь пересекут ось пучка на расстояниях h, 2h и т.д., где h - шаг винта спирали. В этих точках сечение пучка будет наименьшим, т.е. в них электронный пучок будет фокусироваться. Если изменять магнитное поле или скорость электронов, то первоначальное размытое изображение пучка на экране будет периодически стягиваться в ярко светящееся пятнышко. Если расстояние между Д₁ и экраном Э равно h, то пучок будет таким как показано на рисунке.

Задача 7. Слабо расходящийся пучок нерелятивистских заряженных частиц, ускоренных разностью потенциалов U выходит из точки А вдоль оси прямого соленоида. Пучок фокусируется на расстоянии l от точки А при двух последовательных значениях индукции магнитного поля В₁ и В₂. Найти удельный заряд частиц.

Определим скорости вдоль поля и перпендикулярно полю . По условию задачи угол очень мал, поэтому и .

В плоскости перпендикулярной направлению поля В имеет место равенство или .

Для v_n имеем

Итак

Для двух значений поля имеем

.

Согласно условию на пути l укладывается целое число шагов для Т₁ и Т₂

.

Перепишем это в следующем виде

Отсюда

.

Учитывая, что

Запишем

(6)

Здесь учтено, что . Возведя равенство (6) в квадрат, получим

.

Окончательно имеем

Задача 8. Пучок нерелятивистских заряженных частиц проходит не отклоняясь через область А, в которой созданы поперечные взаимно-перпендикулярные электрическое и магнитное поля с напряженностью Е и индукцией В. Если магнитное поле выключить, след пучка на экране Э сместится на .Зная расстояния а и b, найти удельный заряд .

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Чтобы частица могла пройти через область А не отклоняясь, ее скорость, параллельная обкладкам конденсатора, должна соответствовать условию , а время пролета конденсатора .

Смещение d перпендикулярно обкладкам конденсатора ,

где ускорение .

Тогда .

Скорость перпендикулярная обкладкам при вылете частицы из конденсатора заряд электрический магнитный движение

.

Время нахождения частицы в области b равно .

Отсюда .

Смещение частицы на экране, при выключенном поле

.

Окончательно:

Задача 9. Из точки, лежащей на оси прямого соленоида, вылетает нерелятивистский электрон со скоростью v под углом к оси. Индукция магнитного поля В. Найти расстояние r от оси до точки попадания электрона на экран, расположенный перпендикулярно к оси на расстоянии l от точки А.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Скорость электрона, перпендикулярную полю В обозначим , а параллельную полю . Скорость v определяет вращательное движение по окружности радиуса R (на рис а) она обозначена пунктиром). Плоскость окружности перпендикулярна полю и точка О ее центр. На рис.б точкой М обозначено положение электрона на этой окружности, когда электрон сместится вдоль поля на расстояние l.

Радиус окружности

.

Время движения электрона

.

Период обращения по окружности .

Имея ввиду что , найдем угол .

Из рис.(б) найдем .

Для расстояния r получим

4. Определение удельного заряда - частиц

Радиоактивные вещества самопроизвольно испускают из недр своих ядер различные излучения. Среди этих излучений имеются так называемые - частицы, представляющие собой поток отрицательно заряженных электронов, движущихся с большой скоростью. В том, что эти частицы действительно являются электронами, удалось установить с помощью следующего опыта. Радиоактивный препарат (РП) испускает - частицы, которые движутся в вакууме в узком зазоре между пластинами плоского конденсатора и попадают на фотопластинку Ф. Весь прибор помещается в сильное магнитное поле, перпендикулярное к направлению электрического поля и к направлению движения частиц. Частицы, движущиеся между пластинами конденсатора, находятся под действием электрического и магнитного полей. Чтобы частица могла пройти через конденсатор она не должна отклоняться, а значит полная сила, действующая на частицу, должна равняться нулю.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Итак , т.е. . Отсюда находим . Частицы, имеющие другие скорости, попадают на пластины и выбывают из пучка, так что за конденсатором получается пучок - частиц с одинаковой скоростью. За пределами конденсатора на пучок действует только магнитное поле, и пучок изгибается по окружности. Радиус этой окружности находится из условия

Отсюда

Если изменить направление обоих полей Е и В на противоположные, то пучок будет искривляться в другую сторону. Радиус окружности r можно определить, измеряя смещение пучка z₁ на фотопластинке и зная расстояние х₁ от края конденсатора до пластинки. Тогда уравнение круговой траектории частиц относительно точки О есть . Полагая получим для радиуса

Таким образом, зная Е, В, х₁ и z₂ можно найти

Измерения показали, что измеренная величина зависела от скорости частиц. Она оказалась тем меньше, чем больше скорость частиц. Учет зависимости массы частиц от скорости

показал, что постоянной должна оставаться не величина , где m₀ масса покоящегося электрона. Удельный заряд покоящегося электрона оказался равен 1,7610¹¹ Кл/кг.

Задача 10. Нерелятивистская заряженная частица пролетает электрическое поле цилиндрического конденсатора и затем попадает в однородное поперечное магнитное поле с индукцией В. В конденсаторе частица движется по дуге окружности, в магнитном поле - по полуокружности радиуса r. Разности потенциалов на конденсаторе U, радиусы обкладок а и b. Найти скорость частицы и ее удельный заряд q/m.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Когда частица попадает в пространство конденсатора ее скорость перпендикулярна полю Е. Так как, по условию, частица движется по дуге окружности, то имеет место равенство

Выражение для Е в цилиндрическом конденсаторе имеет вид , где - заряд на единицу длины. Учитывая, что , из последних двух формул получим . Из первой формулы . В магнитном поле скорость частицы по модулю не меняется и имеет место равенство . Квадрат этой скорости приравняем к ее величине, полученной выше . Отсюда и для

Задача 11. Пучок нерелятивистских протонов проходит, не отклоняясь, через область, в которой созданы однородные поперечные электрическое и магнитное поля с Е = 120 кВ/м и В = 50 мТл.

Затем пучок попадает на заземленную мишень. Найти силу, с которой пучок действует на мишень, если ток в пучке I = 0,8 мА.

Так как по условию пучок не отклоняется, то . Отсюда . Согласно второму закону Ньютона, и так как на мишени скорость электронов равна нулю

За время t на мишень попадает частиц, где n - концентрация частиц в пучке, S - сечение пучка. Ток в пучке I = envS, тогда . С учетом этого . Заменим скорость, полученным выше выражением и тогда .

Задача 12. С поверхности цилиндрического провода радиуса а, по которому течет ток I, вылетает электрон с начальной скоростью v₀, перпендикулярной поверхности провода. На какое максимальное расстояние удалится электрон от оси провода, прежде чем повернуть обратно под действием магнитного поля тока?

Частица вылетает по направлению r с поверхности провода. Пусть k и i единичные вектора соответственно вдоль оси z и радиус-вектора r. Единичный вектор j определим как j=[ki]. Со стороны магнитного поля тока I на электрон будет действовать сила Лоренца и j будет единичным вектором магнитной индукции, т.е В=Вj. Радиус-вектор электрона в некоторый момент времени . Электрон постоянно находится в плоскости, содержащей вектора i и k, тогда

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/



Здесь и . Запишем второй закон Ньютона для электрона , где :

Это векторное равенство можно заменить двумя скалярными

Из этих двух уравнений найдем

Последнее равенство можно переписать

Отсюда

Из начальных условий при t = 0 имеем , т.е. const = v₀. Итак

(9)

Из выражения (7)

Интегрируя, получим

При t = 0 имеем и .

Тогда

При максимальном удалении электрона в момент t = имеем и .

Итак

Обозначая ,

Имеем

Отсюда

Задача 13. Узкий пучок одинаковых ионов с удельным зарядом q/m, имеющих различные скорости, входит в точке О в область, где созданы однородные параллельные электрическое и магнитное поля с напряженностью Е и индукцией В. Направление пучка в точке О совпадает с осью х. На расстоянии l от точки О находится плоский экран, ориентированный перпендикулярно к оси х. Найти уравнение следа ионов на экране. Показать, что при z<<l это уравнение параболы.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Запишем выражение для силы, действующей на движущийся ион

Проекции векторов на оси .

Тогда

Умножая второе уравнение на мнимую единицу и складывая с первым, находим

Обозначим , тогда

После интегрирования, получим

(10)

Из начальных условий при t= 0: .

Учитывая, что C=v, а действительные и мнимые части (10) соответственно



При t = 0, z = 0. Тогда

Итак

Подставляем это в выражение для z

.

 Используя формулы тригонометрии выражение для z можно привести к виду

Где .

При x=l координаты z на плоскости экрана имеет выражение . Подставим в него величину , тогда . Для z<<l тангенс угла можно заменить значением самого угла, т.е. Тогда и мы получили уравнение параболы.

5. Анализатор импульсов

Однородное магнитное поле часто применяется в «анализаторе», или «спектрометре импульсов» высокоэнергетических частиц.



Рис.1

Предположим, что в точке А на рис. 1а в однородное магнитное поле влетают заряженные частицы, причем магнитное поле перпендикулярно плоскости рисунка. При этом каждая частица будет лететь по круговой орбите, радиус которой пропорционален ее импульсу. Если все частицы влетают в поле перпендикулярно его краю, то они покидают его на расстоянии x от точки А, пропорциональном их импульсу p . Помещенный в некоторой точке С счетчик будет регистрировать только такие частицы, импульс которых находится где-то в интервале p= qBx/2.

Нет необходимости, разумеется, чтобы перед регистрацией частица поворачивалась на 180, но такой «180-градусный спектрометр» обладает особым свойством: для него совсем необязательно, чтобы частицы входили под прямым углом к краю поля. На рис.1б показаны траектории трех частиц с одинаковым импульсом, но входящих в поле под различными углами. Видно, что траектории у них разные, но все они покидают поле очень близко к точке C. В подобных случаях мы говорим о «фокусировке». Преимущество такого способа фокусировки в том, она позволяет допускать в точку А частицы, летящие под большими углами, хотя обычно, как видно из рисунка, углы эти в какой-то степени ограничены. Большое угловое разрешение обычно означает регистрацию за данный промежуток времени большого числа частиц и сокращения, следовательно, времени измерения.

Изменяя магнитное поле, передвигая счетчик вдоль оси x или же покрывая с помощью многих счетчиков целую область по оси x, можно измерить «спектр» падающего пучка.

Такие измерения проводятся, например, при определении распределения по энергиям в - распаде различных ядер.

6. Электростатическая линза

Фокусировка частицы имеет множество применений. Например, в телевизионной трубке электроны, вылетающие из катода, фокусируются на экране в маленькое пятнышко. Делается это для того, чтобы отобрать электроны одинаковой энергии, но летящие под различными углами, и собрать их в небольшую точку. Эта задача напоминает фокусировку света с помощью линз, поэтому устройства, которые выполняют такие функции, тоже называются линзами. Пример электронной линзы приведен на рисунке 2. Это «электростатическая линза», действие которой зависит от электрического поля между двумя соседними электродами. Работу ее можно понять, проследив за тем, что она делает с входящим слева параллельным пучком частиц. Попав в область a, электроны испытывают действие силы с боковой компонентой, которая прижимает их к оси. В области b электроны, казалось бы, должны получить равный по величине, но противоположный по знаку импульс, однако это не так. К тому времени, когда они достигнут области b, энергия их несколько увеличится, и поэтому на прохождение области b они затратят меньше времени. Силы то те же самые, но время их действия меньше, поэтому и импульс будет меньше. А полный импульс силы при прохождении областей a и b направлен к оси, так, что в результате электроны стягиваются к одной общей точке. Покидая область высокого напряжения, частицы получают добавочный толчок по направлению к оси. Для небольших расстояний от оси полный импульс силы на протяжении всей линзы пропорционален расстоянию от оси, и это как раз основное условие, необходимое для обеспечения фокусировки линз такого типа.

Рис.2

7. Магнитная линза

Есть еще один сорт линз - их часто можно встретить в электронных микроскопах - это магнитные линзы. Схематично они изображены на рис. 3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3.

Цилиндрически симметричный электромагнит с очень острыми кольцевыми наконечниками полюсов создает в малой области очень сильное неоднородное магнитное поле. Оно фокусирует электроны, летящие вертикально через эту область. Механизм фокусировки нетрудно понять; на рис. 4 приведено увеличенное изображение области вблизи наконечников полюсов. Два электрона a и b, которые покидают источник S под некоторым углом по отношению к оси, попадают в магнитное поле. Как только электрон a достигнет начала поля, горизонтальная компонента поля отклонит его в направлении от читателя. Он приобретет боковую скорость и, пролетая через сильное вертикальное поле, получит импульс в направлении к оси. Боковое же движение убирается магнитной силой, когда электрон покидает поле, так что окончательным эффектом будет импульс, направленный к оси, плюс « вращение» относительно нее. На частицу b действуют те же силы, но в противоположном направлении, поэтому она тоже отклоняется по направлению к оси. На рисунке видно, как расходящиеся электроны собираются в параллельный пучок. Действие такого устройства подобно действию линзы на находящийся в ее фокусе объект. Если бы теперь вверху поставить еще одну такую же линзу, то она бы сфокусировала электроны снова в одну точку, и получилось бы изображение источника S.

Рис. 4.

8. Электронный микроскоп

Для любой оптической системы существуют общие ограничения, вызываемые дифракцией на отверстии линзы. Если отверстие объектива видно из источника под углом 20, то две соседние точки, расположенные около источника, будут неразличимы, если расстояние между ними по порядку величины меньше , где - длина волны света. Для лучших оптических микроскопов угол приближается к теоретическому пределу 90, так что приблизительно равно , или около 500 нм.

Те же самые ограничения применимы и к электронному микроскопу , но только длина волны в нем, т.е. длина волны электронов с энергией 50 кВ, составляет 0,005 нм. Если бы можно было использовать объектив с отверстием около 30, то мы способны были бы различить объекты величиной 0,02 нм. Атомы в молекулах обычно расположены на расстоянии 0,1-0,2 нм, следовательно, тогда вполне можно было бы получать фотографии молекул. Но к несчастью, самая лучшая разрешающая способность электронных микроскопов приближается только к 2 нм. А все потому, что до сих пор никому не удалось построить линзу с большой светосилой. Все линзы страдают «сферической аберрацией». Это означает вот что: лучи, идущие под большим углом к оси, и лучи, идущие близко к ней, фокусируются в разных точках. С помощью специальной технологии изготовляются линзы для оптических микроскопов с пренебрежимо малой сферической аберрацией, но никому до сих пор не удалось получить электронную линзу, лишенную сферической аберрации. Можно показать, что для любой электростатической или магнитной линзы описанных выше типов сферическая аберрация неизбежна. Наряду с дифракцией аберрация ограничивает разрешающую способность электронных микроскопов ее современным значением.

Ограничения, о которых мы упоминали, не относятся к электрическим и магнитным полям, не имеющим осевой симметрии или не постоянным во времени. Вполне возможно, что в один прекрасный день кто-нибудь придумает новый тип электронных линз, свободных от аберрации, присущей простым электронным линзам. Тогда можно будет непосредственно фотографировать атомы. Возможно, что когда-нибудь химические соединения будут анализироваться просто визуальным наблюдением за расположением атомов ,а не по цвету какого-то осадка .

9. Магнитное поле Земли

Существует ряд гипотез, объясняющих возникновение магнитного поля Земли. В последнее время получила развитие теория, связывающая возникновение магнитного поля Земли с протеканием токов в жидком металлическом ядре. Подсчитано, что зона, в которой действует механизм «магнитное динамо» находится на расстоянии 0,25...0,3 радиуса Земли.

Следует заметить, что гипотезы, объясняющие механизм возникновения магнитного поля планет, довольно противоречивы и до настоящего времени экспериментально не подтверждены.

Что касается магнитного поля Земли, то достоверно установлено, что оно чутко реагирует на солнечную активность. В то же время вспышка на Солнце не может оказать заметного влияния на ядро Земли. С другой стороны, если связывать возникновение магнитного поля планет с токовыми слоями в жидком ядре, то можно сделать заключение, что планеты солнечной системы, имеющие одинаковое направление вращения, должны иметь одинаковое направление магнитных полей. Так Юпитер, вращающийся вокруг своей оси в ту же сторону что и Земля, имеет магнитное поле направленное противоположно земному.

10. Радиационные пояса Земли

Уже первые искусственные спутники Земли обнаружили в околоземном пространстве потоки заряженных частиц с большими энергиями, которые захвачены магнитным полем Земли.

Что такое радиационные пояса Земли? Это гигантский тор заряженных частиц с энергиями от самых малых в десятки - сотни кэВ, до энергий в ГэВ, т. е. сопоставимых с энергиями космических лучей. Частицы радиационных поясов, захваченные в магнитной ловушке, совершают 3 характерных вида движений, в результате которых собственно и “рождаются” их долгоживущие потоки. Это вращательное движение частиц вокруг магнитной силовой линии (ларморовское движение), колебания вдоль магнитной силовой линии и азимутальный дрейф вокруг Земли. Времена этих видов движения сильно отличаются: от доли секунды для ларморовского движения и доходит до часа для азимутального дрейфа.

Сейчас ведутся работы по созданию термоядерного реактора. Для этого необходимо создать условия для устойчивого удержания плазмы. Это можно сделать с помощью магнитного поля. Было предложено много видов магнитных ловушек, среди них “Токамак”. До сих пор термоядерный реактор не реализован. Проблема удержания плазмы оказалась более сложной, чем это представлялось в начале исследований. Природа сделала то, что не удалось пока сделать человеку. Внутри магнитного поля Земли реализуются условия для устойчивого захвата заряженных частиц.

Откуда же появились частицы радиационных поясов? Оказывается космические лучи (протоны) достигая атмосферы и взаимодействуя с ней, образуют вторичные частицы - продукты ядерных реакций. Среди них есть нейтроны, часть которых летит в космическое пространство. Нейтроны - нестабильные частицы. Время их жизни ~ 15 мин. Они распадаются на протоны, электроны и нейтрино. Эти продукты распада (протоны, электроны) и пополняют радиационный пояс Земли.

Есть и другой источник заполнения частицами радиационных поясов - солнечный ветер. Но энергия частиц солнечной плазмы (~ 1кэВ) значительно меньше энергии частиц радиационных поясов. В их ускорении большую роль играет хвост магнитосферы. Во время магнитных бурь именно здесь происходят мощные деформации магнитного поля, приводящие к генерации индукционных электрических полей, которые и ускоряют частицы солнечной плазмы. Флуктуации солнечного ветра создают колебания магнитного поля Земли, которые, собственно, и “загоняют” частицы внутрь магнитной ловушки.

Был обнаружен еще один источник радиационных поясов - ионосферный. Ионосфера “фонтанирует” в окружающее пространство кислород. Причем этот кислород имеет заряд +1, он слабо ионизирован, в отличие от солнечного, который, как говорят “ободран” - у него отсутствуют электронные оболочки. Солнечный кислород имеет заряд +8.

Список литературы

1. Сивухин Д.В. “Общий курс физики”, т. 3 - М.: Изд. “Наука”, 1975 г.

2. Матвеев А.Н. “Электричество и магнетизм” - М.: “Высшая школа”, 1983 г.

Размещено на Allbest.ru