Урок 277. Масс-спектрограф. Циклотрон. Магнитный щит Земли

YOUTUBE · 16.12.2025 11:54

Ключевые темы и таймкоды

Введение в силу Лоренца

0:11

Обсуждение силы Лоренца, действующей на заряженную частицу в магнитном поле.
Упоминание о возможности расчёта силы Лоренца и предсказания поведения частицы.
Объявление темы урока: применение силы Лоренца в исследовательских приборах.

Масс-спектрограф

2:41

Описание источника заряженных частиц, например, радиоактивного изотопа или устройства для ионизации газа.
Принцип работы масс-спектрографа: ускорение ионов электрическим полем и их движение в магнитном поле.
Формула для расчёта скорости ионов: v = √2qU/m.

Движение ионов в магнитном поле

5:44

Создание однородного магнитного поля, направленного так, чтобы отклонять положительные ионы вправо.
Движение ионов по окружности под действием силы Лоренца.
Вычисление радиуса окружности по формуле: r = mv/qb.

Регистрация ионов

8:15

Использование фотопластинки для регистрации ионов.
Определение удельного заряда ионов по радиусу окружности.
Возможность проведения изотопного анализа вещества.

Циклотрон

12:06

Описание циклотрона как устройства с дуантами, напоминающего металлическую коробку.
Движение протона в магнитном поле между дуантами.
Расчёт периода вращения и частоты протона.

Ускорение протона

17:19

Создание электрического поля между дуантами для ускорения протона.
Аналогия с подталкиванием мальчика на карусели для объяснения принципа ускорения.
Подключение дуантов к генератору переменного напряжения для изменения ускоряющего напряжения.

Принцип работы циклотрона

18:17

Частица движется по окружности, ускоряемая электрическим полем.
При прохождении половины оборота напряжение меняет знак, ускоряя частицу в противоположную сторону.
Частота изменения напряжения подбирается так, чтобы частица ускорялась при прохождении в противоположной стороне.

Структура циклотрона

19:21

Циклотрон представляет собой циклический ускоритель заряженных частиц.
В одном из дуантов можно сделать вырез, чтобы частица двигалась по траектории с дугами окружности и прямыми участками.
Частица увеличивает скорость до достижения края дуанта, где её можно вывести с помощью электрического поля.

Расчёт циклотронной частоты

20:26

Для ускорения протонов рассчитывается циклотронная частота.
При индукции магнитного поля 1 Тесла циклотронная частота составляет около 15,6 МГц.
Получение колебаний такой частоты технически возможно, но требует создания качественного магнитного поля и высокого вакуума.

Энергия частицы в циклотроне

23:06

За один оборот протон получает энергию 200 keV.
Совершив 100 оборотов, частица получает энергию, эквивалентную 20 миллионам вольт.
Первый исторический циклический ускоритель заряженных частиц — циклотрон.

Синхротрон и Большой адронный коллайдер

24:01

Синхротрон позволяет изменять магнитное поле и частоту изменения напряжения.
Большой адронный коллайдер — следующий шаг в развитии ускорителей.

Движение частицы под углом к магнитному полю

25:03

Если частица влетает под углом к линиям магнитного поля, она движется по винтовой линии.
Радиус винтовой линии рассчитывается через составляющие скорости частицы.
Шаг винтовой линии определяется через период и параллельную составляющую скорости.

Защита от космического излучения

31:34

Магнитное поле Земли защищает от вредного космического излучения.
Заряженные частицы движутся по винтовой линии в направлении магнитных полюсов.
Полярное сияние возникает из-за ионизации молекул воздуха заряженными частицами.

Радиация в полярных областях

34:20

В полярных областях радиация более сильная.
Солнечная активность влияет на наблюдение полярного сияния в более южных широтах.

Полярное сияние и магнитное поле

34:38

Полярное сияние может быть видно даже в Одессе.
Обсуждение поведения частиц в неоднородном магнитном поле.

Сила Лоренца и её составляющие

35:03

Вектор скорости частицы направлен к наблюдателю.
Сила Лоренца раскладывается на две составляющие: одну, направленную против поля, и другую, которая мешает частице продвигаться в сторону большей индукции.
Составляющая против поля заставляет частицу кружить, а составляющая, препятствующая движению, тормозит частицу.

Магнитное зеркало

35:42

Частица движется, останавливается, разворачивается и возвращается обратно в неоднородном магнитном поле.
Такое устройство называется магнитным зеркалом.

Магнитная бутылка

36:44

Установка двух магнитных зеркал создаёт магнитное поле, в котором частица заключена в пространстве и движется туда-сюда.
Это устройство называется магнитной бутылкой.

Применение магнитных бутылок

37:12

Магнитные бутылки используются в установках для термоядерной реакции с плазмой, имеющей температуру миллионы градусов.
Создание сложных магнитных полей позволяет удерживать плазму в ограниченной области и пытаться получить энергию от неё.
Пока результаты не очень хорошие.