Влияние магнитного поля на движущийся электрический заряд
Магнитное поле оказывает важное воздействие на движущийся электрический заряд. Рассмотрим, как это происходит.
Сила Ампера
Любой проводник с током, находящийся в магнитном поле, подвержен воздействию силы, которую называют силой Ампера. Направление этой силы определяется с помощью правила левой руки.
Эфирная модель и ее отклонение
На протяжении долгого времени ученые придерживались эфирной модели, считая, что ток представляет собой электрическую эфирную жидкость, которая течет по проводам. Однако, уже в конце XIX века и в начале ХХ века эта модель постепенно отходила в прошлое.
Развитие классической электродинамики
После того, как теория Максвелла была усовершенствована, произошло объединение теории электромагнитного поля с основными идеями теории строения вещества. Это привело к созданию электронной теории.
Электронная теория
В 70-х годах XIX века Хендрик Антон Лоренц начал разрабатывать электронную теорию, которая объясняла электромагнитные и оптические явления. Эта теория учитывала структуру вещества и отличалась от классической теории Максвелла.
Электронная теория металлов
Созданная после электронной теории, электронная теория металлов, предложенная Паулем Друде, утверждала, что электроны в металлах ведут себя как атомы идеального газа. Дальнейшее развитие этой теории принадлежит Лоренцу.
В целом, влияние магнитного поля на движущийся электрический заряд играет важную роль в понимании электродинамики и явлений вещества.
Влияние магнитного поля на электрический ток
Согласно теории модели Лоренца, электрический ток в проводнике вызывает упорядоченное движение свободных зарядов, что образует электрическое поле. Однако, при наличии магнитного поля на проводник, на движущиеся заряды действует сила Лоренца.
Сила Лоренца
Сила Лоренца представляет собой силу, с которой магнитное поле действует на движущуюся в нем заряженную частицу. Ее модуль определяется отношением силы Ампера, действующей на проводник с током в магнитном поле, к числу свободных заряженных частиц в проводнике.
Направление силы Лоренца
Направление силы Лоренца можно определить с помощью правила левой руки. Если левую руку расположить так, чтобы магнитная индукция входила в ладонь, а пальцы были направлены по движению заряда, то большой палец покажет направление силы Лоренца.
Работа силы Лоренца
Силы Лоренца направлена перпендикулярно к скорости движения заряженной частицы, поэтому работа данной силы при движении заряженной частицы в магнитном поле равна нулю.
Таким образом, магнитное поле оказывает влияние на движущиеся заряды в проводнике, вызывая появление силы Лоренца и участвуя в формировании магнитного тока.
Влияние магнитного поля на движение заряженных частиц
Если работа силы Лоренца равна нулю, то, согласно теореме об изменении кинетической энергии, кинетическая энергия изменяться не будет, а значит, заряженная частица движется в магнитном поле с постоянной скоростью. Поэтому сила Лоренца меняет лишь направление вектора скорости заряженной частицы.
Примеры траекторий заряженных частиц в магнитном поле
Задача 1: Протон в однородном магнитном поле
Протон влетает со скоростью 1000 м/с в однородное магнитное поле. Магнитная индукция поля равна 0,01 Тесла.
Задача 2: Протон под углом к линиям магнитной индукции
Протон влетает со скоростью 1000 м/с в однородное магнитное поле под углом 60 градусов к линиям магнитной индукции. Магнитная индукция поля равна 0,01 Тл.
Применение магнитного поля в технике
Действие магнитного поля на движущиеся заряженные частицы очень широко используется в технике. Например, в кинескопах телевизоров магнитное поле отклоняет электронный пучок. В электронных приборах магнитное поле используется для фокусировки пучков заряженных частиц.
В установках для термоядерной реакции магнитное поле используется для скручивания плазмы. Циклические ускорители заряженных частиц, такие как циклотроны, используют движение заряженных частиц по окружности в однородном магнитном поле.
Масс-спектрографы
Масс-спектрографы разделяют заряженные частицы по их удельным зарядам. Эти приборы используют действие силы Лоренца для анализа частиц.
Влияние магнитного поля на ионы
В камере с ионами, разгоняемыми ускоряющим напряжением между электродами A и B, наблюдается интересная динамика. Ионы вылетают из источника, разгоняются и под влиянием магнитного поля движутся по дуге окружности. При этом, благодаря фотопластинке, можно определить радиус дуги и, зная индукцию магнитного поля и скорость ионов, вычислить удельный заряд ионов. Также, если известен заряд иона, можно определить его массу.
Сила Лоренца и полярные сияния
Сила Лоренца, вызывающая отклонение электронов в магнитных полях, играет важную роль в ряде природных явлений. Одним из самых известных таких явлений являются полярные сияния. В высоких широтах, за полярными кругами, в период долгой полярной ночи, можно наблюдать завораживающее свечение различных оттенков. Это явление связано со сменами интенсивности солнечной активности и периодами максимальной частоты полярных сияний через каждые 11,5 лет.
Фритьоф Нансен о полярных сияниях
Известный исследователь Фритьоф Нансен описывал полярные сияния как одно из прекраснейших явлений природы, которое он наблюдал в Арктике в конце 1894 года. Наблюдения за Солнцем показали связь между солнечной активностью, числом солнечных пятен на его диске и частотой полярных сияний. Поэтому, при изучении магнитных полей и силы Лоренца, мы можем лучше понять не только ионы в камере, но и природу загадочных явлений, таких как полярные сияния.
Сопоставляя эти факты, норвежский ученый Биркеланд высказал предположение, что пятна на Солнце являются теми местами, откуда с огромной скоростью выбрасываются в окружающее пространство потоки заряженных частиц — электронов. Попадая в верхние слои нашей атмосферы, они заставляют светиться составляющие ее газы, подобно тому, как они светятся под влиянием ударов электронов в разрядной трубке.
Но если это так, то почему полярные сияния наблюдаются только в высоких широтах, т. е. в местностях, не очень удаленных от земных полюсов? Ведь солнечные лучи освещают всю Землю. На этот вопрос ответил другой норвежец, Штермер. Заряженные частицы, испускаемые Солнцем, подходя к Земле, попадают в земное магнитное поле. Здесь на них действует сила Лоренца, отклоняющая их от первоначального прямого пути. Штермер произвел сложные математические вычисления и рассчитал пути этих электронов в магнитном поле Земли. Он показал, что, действительно, заряженные частицы, отклоняемые земным магнитным полем, могут попадать только в приполярные области земного шара.
– На любую движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля действует сила Лоренца.
– Направление силы Лоренца, как и силы Ампера, можно определить по правилу левой руки.
– Сила Лоренца перпендикулярна вектору магнитной индукции и вектору скорости заряженной частицы. Поэтому она не совершает работы.
Закон Паскаля
Гидростатика (от греч. hydor — вода и statos — стоящий) — один из подразделов механики, изучающий равновесие жидкости, а также равновесие твердых тел, частично или полностью погруженных в жидкость.
Закон Паскаля — основной закон гидростатики, согласно которому давление на поверхность жидкости, произведенное внешними силами, передается жидкостью одинаково во всех направлениях.
Этот закон был открыт французским ученым Б. Паскалем в 1653 г. и опубликован в 1663 г.
Чтобы убедиться в справедливости закона Паскаля, достаточно проделать простой опыт. Присоединим к трубке с поршнем полый шар со множеством маленьких отверстий. Наполнив шар водой, нажмем на поршень, чтобы увеличить в нем давление. Вода начнет выливаться, но не только через то отверстие, которое находится на линии действия прилагаемой нами силы, а и через все остальные тоже. Причем напор воды, обусловленный внешним давлением, во всех появившихся струйках будет одинаковым.
Аналогичный результат мы получим в том случае, если вместо воды будем использовать дым. Таким образом, закон Паскаля справедлив не только для жидкостей, но и для газов.
Жидкости и газы передают оказываемое на них давление по всем направлениям одинаково.
Передача давления жидкостями и газами во всех направлениях одновременно объясняется достаточно высокой подвижностью частиц, из которых они состоят.
Давление покоящейся жидкости на дно и стенки сосуда (гидростатическое давление)
Жидкости (и газы) передают по всем направлениям не только внешнее давление, но и то давление, которое существует внутри них благодаря весу собственных частей.
Давление, оказываемое покоящейся жидкостью, называется гидростатическим.
Получим формулу для расчета гидростатического давления жидкости на произвольной глубине $h$ (в окрестности точки А на рисунке).
Сила давления, действующая со стороны вышележащего узкого столба жидкости, может быть выражена двумя способами:
как произведение давления $р$ в основании этого столба на площадь его сечения $S$:
как вес того же столба жидкости, т. е. произведение массы $m$ жидкости на ускорение свободного падения:
Масса жидкости может быть выражена через ее плотность $р$ и объем $V$:
а объем — через высоту столба и площадь его поперечного сечения:
Подставляя в формулу $F=mg$ значение массы из $m=pV$ и объема из $V=Sh$, получим:
Приравнивая выражения $F=pS$ и $F=pVg=pShg$ для силы давления, получим:
Разделив обе части последнего равенства на площадь $S$, найдем давление жидкости на глубине $h$:
Это и есть формула гидростатического давления.
Гидростатическое давление на любой глубине внутри жидкости не зависит от формы сосуда, в котором находится жидкость, и равно произведению плотности жидкости, ускорения свободного падения и глубины, на которой определяется давление.
Важно еще раз подчеркнуть, что по формуле гидростатического давления можно рассчитывать давление жидкости, налитой в сосуд любой формы, в том числе давление на стенки сосуда, а также давление в любой точке жидкости, направленное снизу вверх, поскольку давление на одной и той же глубине одинаково по всем направлениям.
С учетом атмосферного давления $р_0$, формула для давления покоящейся в ИСО жидкости на глубине $h$ запишется следующим образом:
Гидростатический парадокс
Гидростатический парадокс — явление, заключающееся в том, что вес жидкости, налитой в сосуд, может отличаться от силы давления жидкости на дно сосуда.
В данном случае под словом «парадокс» понимают неожиданное явление, не соответствующее обычным представлениям.
Так, в расширяющихся кверху сосудах сила давления на дно меньше веса жидкости, а в сужающихся — больше. В цилиндрическом сосуде обе силы одинаковы. Если одна и та же жидкость налита до одной и той же высоты в сосуды разной формы, но с одинаковой площадью дна, то, несмотря на разный вес налитой жидкости, сила давления на дно одинакова для всех сосудов и равна весу жидкости в цилиндрическом сосуде.
Это следует из того, что давление покоящейся жидкости зависит только от глубины под свободной поверхностью и от плотности жидкости: $p=pgh$ (формула гидростатического давления). А так как площадь дна у всех сосудов одинакова, то и сила, с которой жидкость давит на дно этих сосудов, одна и та же. Она равна весу вертикального столба $АВСD$ жидкости: $P=pghS$, здесь $S$ — площадь дна (хотя масса, а следовательно, и вес в этих сосудах различны).
Гидростатический парадокс объясняется законом Паскаля — способностью жидкости передавать давление одинаково во всех направлениях.
Из формулы гидростатического давления следует, что одно и то же количество воды, находясь в разных сосудах, может оказывать разное давление на дно. Поскольку это давление зависит от высоты столба жидкости, то в узких сосудах оно будет больше, чем в широких. Благодаря этому даже небольшим количеством воды можно создавать очень большое давление. В 1648 г. это очень убедительно продемонстрировал Б. Паскаль. Он вставил в закрытую бочку, наполненную водой, узкую трубку и, поднявшись на балкон второго этажа, вылил в эту трубку кружку воды. Из-за малой толщины трубки вода в ней поднялась до большой высоты, и давление в бочке увеличилось настолько, что крепления бочки не выдержали, и она треснула.
Закон Архимеда
Закон Архимеда — закон статики жидкостей и газов, согласно которому на всякое тело, погруженное в жидкость (или газ), действует со стороны этой жидкости (или газа) выталкивающая сила, равная весу вытесненной телом жидкости (газа) и направленная по вертикали вверх.
Этот закон был открыт древнегреческим ученым Архимедом в III в. до н. э. Свои исследования Архимед описал в трактате «О плавающих телах», который считается одним из последних его научных трудов.
Ниже приведены выводы, следующие из закона Архимеда.
Действие жидкости и газа на погруженное в них тело
Если погрузить в воду мячик, наполненный воздухом, и отпустить его, то он всплывет. То же самое произойдет со щепкой, с пробкой и многими другими телами. Какая же сила заставляет их всплывать?
На тело, погруженное в воду, со всех сторон действуют силы давления воды. В каждой точке тела эти силы направлены перпендикулярно его поверхности. Если бы все эти силы были одинаковы, тело испытывало бы лишь всестороннее сжатие. Но на разных глубинах гидростатическое давление различно: оно возрастает с увеличением глубины. Поэтому силы давления, приложенные к нижним участкам тела, оказываются больше сил давления, действующих на тело сверху.
Если заменить все силы давления, приложенные к погруженному в воду телу, одной (результирующей или равнодействующей) силой, оказывающей на тело то же самое действие, что и все эти отдельные силы вместе, то результирующая сила будет направлена вверх. Это и заставляет тело всплывать. Эта сила называется выталкивающей силой, или архимедовой силой (по имени Архимеда, который впервые указал на ее существование и установил, от чего она зависит). На рисунке она обозначена как $F_A$.
Архимедова (выталкивающая) сила действует на тело не только в воде, но и в любой другой жидкости, т. к. в любой жидкости существует гидростатическое давление, разное на разных глубинах. Эта сила действует и в газах, благодаря чему летают воздушные шары и дирижабли.
Благодаря выталкивающей силе вес любого тела, находящегося в воде (или в любой другой жидкости), оказывается меньше, чем в воздухе, а в воздухе меньше, чем в безвоздушном пространстве. В этом легко убедиться, взвесив гирю с помощью учебного пружинного динамометра сначала в воздухе, а затем опустив ее в сосуд с водой.
Уменьшение веса происходит и при переносе тела из вакуума в воздух (или какой-либо другой газ).
Если вес тела в вакууме (например, в сосуде, из которого откачан воздух) равен $Р_0$, то его вес в воздухе равен:
Поэтому чтобы найти архимедову силу, действующую на тело в какой-либо жидкости, нужно это тело взвесить в воздухе и в жидкости. Разность полученных значений и будет архимедовой (выталкивающей) силой.
Выталкивающая сила, действующая на погруженное в жидкость тело, равна весу жидкости, вытесненной этим телом.
где $V_ж$ — объем вытесненной жидкости. Этот объем равен объему той части тела, которая погружена в жидкость. Если тело погружено в жидкость целиком, то он совпадает с объемом $V$ всего тела; если же тело погружено в жидкость частично, то объем $V_ж$ вытесненной жидкости меньше объема $V$ тела.
С учетом вышеизложенного закон Архимеда можно сформулировать так:
На всякое тело, погруженное в покоящуюся жидкость (или газ), действует со стороны этой жидкости (или газа) выталкивающая сила, равная произведению плотности жидкости (или газа), ускорения свободного падения и объема той части тела, которая погружена в жидкость (или газ).
2.2. Электрическое освещение помещений торговых объектов
Различают два вида освещения: рабочее и аварийное. Устройство рабочего освещения обязательно во всех случаях. Аварийное освещение для возможности продолжения работы необходимо в помещениях и на открытых пространствах, если прекращение работы из-за отключения рабочего освещения может вызвать взрыв, пожар, отравление и т.п., длительное расстройство технологического процесса (массовый брак, порчу оборудования, необходимость длительной переналадки), опасность травматизма в местах большого скопления людей.
Аварийное освещение для возможности продолжения работы должно создавать на поверхностях, требующих обслуживания, освещенность не менее 10% установленной для общего их освещения лампами накаливания. Оно может выполняться в виде местного освещения этих поверхностей с устройством, кроме того, общего аварийного освещения в объеме эвакуационного.
В помещениях может устраиваться:
– общее освещение — равномерное или локализованное;
– комбинированное освещение, состоящее из общего и местного (устройство только местного освещения запрещено).
Для временного увеличения освещенности отдельных мест при работе, а также осмотре и ремонте оборудования служит переносное освещение — разновидность местного. Вдоль охраняемых границ территорий устраивается охранное освещение. Общегигиенические условия работы лучше при общем освещении, чем при комбинированном.
Электрическими источниками оптического излучения называются устройства, преобразующие электрическую энергию в лучистую энергию оптического спектра. По способу генерирования или излучения они делятся на температурные и люминесцентные. Первую группу составляют лампы накаливания, вторую — газоразрядные лампы низкого или высокого давления, использующие эффект электролюминесценции в газе и парах металлов, в том числе и люминесцентные лампы, использующие эффект электрофотолюминесценции.
Лампы накаливания. Для освещения широко применяются лампы накаливания, которые наиболее просты и надежны в эксплуатации, непосредственно включаются в сеть, дешевы. Они могут быть вакуумными (тип В, 15 и 25 Вт) и газонаполненными (типы Б и Г, от 40 до 1000 Вт). Последние обычно наполняются аргоном с добавлением 12-16% азота.
Лампы с криптоновым наполнением в специальных грибовидных колбах (тип БК) имеют световую отдачу на 10-20% выше ламп с аргоновым наполнением. Принцип работы ламп накаливания основан на нагреве электрическим током вольфрамовой нити до температуры 2200-2800 °С.
Широкое распространение получили лампы накаливания, колбы которых покрыты отражающим слоем (зеркальным или белым диффузным). Так как лампы с отражающими покрытиями одновременно являются и светильниками, то их иногда применяют без осветительной арматуры, что обеспечивает более высокую экономичность осветительной установки. Кроме нормальных осветительных ламп применяются специальные лампы накаливания, например лампы местного освещения (типа МО); миниатюрные лампы (типа МН) для освещения шкал измерительных приборов и пультов.
Весьма перспективны галогенные лампы накаливания в кварцевой колбе. Благодаря происходящему в них йодному циклу испарившийся вольфрам переносится со стенок колбы лампы снова на нить накала. Поэтому срок службы и световая отдача у таких ламп выше, чем у обычных.
Люминисцентные газоразрядные лампы низкого давления. Газоразрядные источники лучистой энергии — устройства, в которых оптическое излучение возникает в результате электрического разряда в газах, парах металлов или их смесях. Люминесцентные лампы низкого давления (рис. 2.1) представляют собой длинную герметичную стеклянную трубку, внутренняя поверхность которой покрыта слоем люминофора. В торцах колбы имеются цоколь, контактные штыри — выводы молибденовых электродов, к которым прикреплена вольфрамовая оксидированная моноспираль.
Из колбы откачан воздух, и туда введены инертный газ (аргон) и небольшое количество ртути. Электрический разряд в такой лампе начинается в атмосфере инертного газа, а затем по мере испарения ртути продолжается в ее парах. Люминесцентные лампы различают по форме, размерам колбы, мощности и спектральному составу или цветности излучения.
Средняя яркость люминесцентных ламп колеблется от 5 до 10 ккд/м2, в зависимости от мощности. Вследствие большой яркости люминесцентных ламп открытая их установка (без светильников), как правило, не допускается. Люминесцентные лампы работают нормально при температурах окружающей среды от 5 до 55 °С, поэтому их установка в помещении с температурой воздуха ниже 5 °С не допускается без специальных приспособлений.
Дуговые ртутные лампы высокого давления. Наряду с люминесцентными трубчатыми газоразрядными лампами низкого давления широко применяются ртутно-кварцевые лампы высокого давления типа ДРЛ (дуговая ртутная люминесцентная). Лампа ДРЛ с исправленной цветностью (рис. 2.2, а) состоит из кварцевой трубки (горелки) 3 (рис. 2.2, б), размещенной в колбе /, внутренняя поверхность которой покрыта слоем люминофора 2, последовательно включенных резисторов 6. В кварцевую трубку впаяны два основных вольфрамовых электрода 4, покрытых активированным Слоем и подсоединенных к центральной части цоколя 7, и два дополнительных поджигающих электрода 5. Из кварцевой трубки откачан воздух, после чего она заполнена небольшим количеством ртути (40-60 мг) и аргоном под давлением 2,5-4,5 кПа.
Лампы ДРЛ, по сравнению с люминесцентными лампами низкого давления, имеют большую яркость (примерно в 10 раз), меньшую зависимость светового потока и времени зажигания от температуры окружающей среды. Источниками света с высокой световой отдачей являются металлогалоидные лампы типа ДРИ (дуговые ртутные йодные), в ртутный разряд которых вводятся различного рода добавки, например йодиды натрия, таллия и индия. Введением указанных добавок значительно увеличивают световую отдачу разряда, доводя его до 90 лм/Вт, при достаточно хорошей цветности излучения.
Устройство лампы ДРИ-2000 общего назначения показано на рис. 2.3, а. В прозрачной колбе 1 находится разрядная трубка 2, с обеих сторон которой впаяны электроды 3. У основания колбы установлен экран 4. Выпускаются дуговые ртутные металлохалоид-ные лампы с устройством для быстрого зажигания (рис. 2.3, б) и без устройства быстрого зажигания ДРИ-125, ДРИ-175 (рис. 2.3, в, г), а также металлогалоидные зеркальные лампы-светильники (рис. 2.3, д) мощностью от 250 до 700 Вт.
Экономичным источником света является лампа типа НВД (натриевая высокого давления), в которой используется разряд в парах натрия при высоком давлении (порядка 200 Па). При таком давлении цветность излучения разряда белеет, а световая отдача достигает значений 100-120 лм/Вт.
Среди всех газоразрядных ламп самую большую световую отдачу (до 170 лм/Вт) имеют натриевые лампы высокого давления типа ДНаТ. Они предназначены для использования в светильниках наружного и внутреннего освещения, где не требуется высокое качество цветопередачи.
Лампа (рис. 2.4) представляет собой стеклянную колбу цилиндрической формы, внутри которой расположена горелка 1, смонтированная на ножку.
Горелка изготовлена в виде трубки из поликристаллического оксида алюминия, устойчивого к воздействию паров натрия, торцы которой вакуумно и плотно соединены с электродными узлами. Проектирование осветительных установок производится в соответствии с нормируемой освещенностью, качественными показателями освещения (показатель ослепленности или дискомфорта), коэффициента пульсации, коэффициента запаса. Затем выбирают систему освещения, тип источников света и светильников, их размещение, проводят расчет мощности осветительных установок и мощности применяемых ламп.