Хөдөлж буй цэнэгүүдэд үйлчлэх хүч: Цахилгаан ба соронзон үзэгдэл
Цахилгаан цэнэг нь хэд хэдэн чухал байгалийн үзэгдлийн үндэс суурь болсон физикийн үндсэн ойлголт юм. Цахилгаан цэнэгийн нэг сонирхолтой тал нь хөдөлж буй цэнэгүүдэд хэрхэн хүч үйлчилдэг явдал юм. Энэ нийтлэлд бид энэ үзэгдлийг судалж, түүний үндсэн зарчим, түүнийг зохицуулдаг хууль тогтоомж, өдөр тутмын амьдралдаа технологийн хэрэглээг гүнзгийрүүлэн авч үзэх болно.
Цахилгаан цэнэг ба цахилгаан орон
Цахилгаан цэнэг нь бөөмсийн үндсэн шинж чанар бөгөөд бусад цэнэгүүдийн ойролцоо байх үед тэдэнд хүч мэдрэгддэг. Цэнэг нь эерэг ба сөрөг гэсэн хоёр төрөл байдаг. Адил цэнэгүүд бие биенээ түлхдэг бол эсрэг цэнэгүүд бие биенээ татдаг. Эдгээр цэнэгийн харилцан үйлчлэлийг Кулоны хуулиар тодорхойлдог бөгөөд энэ хуулиар хоёр цэнэгийн хоорондох хүч нь тэдгээрийн цэнэгийн үржвэртэй пропорциональ, тэдгээрийн хоорондох зайны квадраттай урвуу пропорциональ байна гэж заасан байдаг.
Цахилгаан орон
Цахилгаан орон гэдэг нь орон зайн тодорхой байршилд цэнэгийн мэдэрч буй хүчний илэрхийлэл юм. Энэ орон нь цахилгаан цэнэгээр үүсгэгддэг бөгөөд Максвеллийн тэгшитгэлийг ашиглан тооцоолж болно. q цэнэг нь E цахилгаан орон дээр байрлахад дараах хүчийг мэдэрдэг:
\[ \mathbf{F} = q\mathbf{E} \]
Цахилгаан ба соронзон орон дахь цэнэгийн хөдөлгөөний үзэгдэл
Одоо цэнэг хөдлөхөд юу болохыг харцгаая. Цахилгаан цэнэг q нь цахилгаан орон дээр тодорхой хурдтай хөдөлдөг бол цэнэг дээр үйлчлэх хүч нь цахилгаан хүч ба соронзон орны нэмэлт нөлөөллийн нэгдэл юм (хэрэв байгаа бол).
Лоренцийн хүч
Цахилгаан болон соронзон орон дахь хөдөлж буй цэнэгийн мэдэрч буй нийт хүчийг Лоренцын хүчээр тодорхойлдог бөгөөд үүнийг дараах байдлаар илэрхийлнэ.
\[ \mathbf{F} = q(\mathbf{E} + \mathbf{v} \times \mathbf{B}) \]
ди мана:
– \( \mathbf{F} \) нь цэнэгийн нийт хүч юм.
– \( q \) нь цахилгаан цэнэг юм
– \( \mathbf{E} \) нь цахилгаан орон юм
– \( \mathbf{v} \) нь цэнэгийн хурд юм
– \( \mathbf{B} \) нь соронзон орон юм
– \( \times \) нь хөндлөн үржвэрийг заана
Энэ тэгшитгэл нь цахилгаан орны үүсгэсэн хүчнээс гадна цэнэг соронзон орон дотор хөдлөхөд нэмэлт хүч үүсдэг болохыг харуулж байна. Энэхүү соронзон хүч нь цэнэгийн хөдөлгөөний чиглэл болон соронзон орны чиглэлээс хамаардаг бөгөөд үргэлж хоёр чиглэлд перпендикуляр үйлчилдэг.
Соронзон орон
Соронзон орон нь цахилгаан гүйдэл эсвэл багана хэлбэрийн соронз гэх мэт соронзон объектоор үүсгэгддэг. Соронзон орны үндсэн шинж чанар нь хөдөлгөөнгүй цахилгаан цэнэгт ямар ч хүч үйлчилдэггүй явдал юм. Гэсэн хэдий ч цэнэг хөдөлгөөнд орсны дараа соронзон орон нь цэнэгийн хөдөлгөөний чиглэлийг өөрчлөхийг оролдох хүч үйлчилж эхэлдэг.
Соронзон орны хөдөлгөөнт цэнэгүүдэд үзүүлэх нөлөө
Соронзон орон хэрхэн ажилладагийг ойлгохын тулд Лоренцын хүчний тэгшитгэл рүү буцаж очоод зөвхөн соронзон оронтой холбоотой хэсгийг авч үзье.
\[ \mathbf{F}_B = q(\mathbf{v} \times \mathbf{B}) \]
Энэ хүч нь соронзон орны чиглэл (\(\mathbf{B}\)) болон цэнэгийн хурд (\(\mathbf{v}\))-тэй үргэлж перпендикуляр чиглэгддэг. Үүний үр дүнд соронзон орон нь цэнэг дээр ямар ч нөлөө үзүүлэхгүй, харин цэнэгийн хөдөлгөөний чиглэлийг өөрчилдөг. Энэ нь хурд болон соронзон орны бусад бүрэлдэхүүн хэсгүүдээс хамааран цэнэгийн траекторийг дугуй эсвэл спираль хэлбэртэй болгодог.
Соронзон орон ба хөдөлгөөнт цэнэгүүдийн хэрэглээ
1. Массын спектрометр
Массын спектрометр гэдэг нь соронзон оронгоор дамжин өнгөрөх үед бөөмсийн траекторийг илрүүлэх замаар тэдгээрийн массыг хэмжихэд ашигладаг төхөөрөмж юм. Цэнэглэгдсэн бөөмс соронзон оронгоор дамжин өнгөрөхөд тэдгээр нь цэнэг болон хурдныхаа дагуу хазайдаг. Эдгээр траекторын зөрүү нь бөөмсийн массыг тодорхойлох боломжийг олгодог.
2. Циклотрон ба Синхротрон
Циклотрон ба синхротрон нь бөөмийн физикт цэнэгтэй бөөмсийг өндөр энерги хүртэл хурдасгахад ашигладаг бөөмийн хурдасгуур юм. Соронзон орон нь бөөмсийг дугуй тойрог замд байлгахад ашиглагддаг бол цахилгаан орон нь эргэлт бүрт нэмэлт түлхэлт өгдөг.
3. Цахилгаан мотор ба генераторууд
Цахилгаан мотор нь соронзон орон дахь хөдөлж буй цэнэгүүдэд үйлчлэх хүчний үндсэн зарчмыг ашиглан цахилгаан энергийг механик энерги болгон хувиргадаг. Үүнтэй адилаар генераторууд нь цахилгаан үйлдвэрлэхийн тулд соронзон орон дахь дамжуулагчийг хөдөлгөх замаар ажилладаг.
4. Аврора
Төв туйл болон төв туйл нь нарны салхины цэнэгтэй бөөмс дэлхийн соронзон оронтой харилцан үйлчлэлцсэнээс үүдэлтэй дэлхийн тэнгэрт үүсдэг байгалийн гэрлийн үзэгдэл юм. Нарны цэнэгтэй бөөмс нь дэлхийн соронзон орны нөлөөгөөр хурдасч, агаар мандалд мөргөлдөж, үзэсгэлэнтэй гэрлийн үзэгдлийг бий болгодог.
Дүгнэлт
Хөдөлгөөнт цэнэгүүдийн хүчийг, ялангуяа цахилгаан болон соронзон орны нөлөөнд хэрхэн нөлөөлж байгааг ойлгох нь физик, технологийн олон хэрэглээ, үзэгдлийн гол цөм юм. Кулоны хуулиар тодорхойлсон үндсэн дүрмээс эхлээд бөөмийн хурдасгуур болон цахилгаан механик төхөөрөмжүүдийн нарийн хэрэглээ хүртэл эдгээр зарчмууд нь онолын ертөнцийг практик хэрэглээтэй холбодог. Хөдөлгөөнт цэнэгүүдийн хүчийг ойлгох аялал нь физикийн үндсэн ойлголтууд нь олон тооны шинэчлэл, орчлон ертөнцийг илүү гүнзгий ойлгох замыг хэрхэн нээж өгч чадахын урам зориг өгөх жишээ юм.
