Сила Лоренца
Сила Лоренца. Определение и формула
Сила Ампера, воздействующая на часть проводника длиной Δ l с некоторой силой тока I , находящийся в магнитном поле B , F = I · B · Δ l · sin α может выражаться через действующие на конкретные носители заряда силы.
Пускай заряд носителя обозначается как q , а n является значением концентрации носителей свободного заряда в проводнике. В этом случае произведение n · q · υ · S , в котором S представляет собой площадь поперечного сечения проводника, эквивалентно току, протекающему в проводнике, а υ – это модуль скорости упорядоченного движения носителей в проводнике:
Формула силы Ампера может записываться в следующем виде:
F = q · n · S · Δ l · υ · B · sin α .
По причине того, что полное число N носителей свободного заряда в проводнике сечением S и длиной Δ l равняется произведению n · S · Δ l , действующая на одну заряженную частицу сила равняется выражению: F Л = q · υ · B · sin α .
Найденная сила носит название силы Лоренца. Угол α в приведенной формуле эквивалентен углу между вектором магнитной индукции B → и скоростью ν → .
Направление силы Лоренца, которая воздействует частицу с положительным зарядом, таким же образом, как и направление силы Ампера, находится по правилу буравчика или же с помощью правила левой руки. Взаимное расположение векторов ν → , B → и F Л → для частицы, несущей положительный заряд, проиллюстрировано на рис. 1 . 18 . 1 .
Рисунок 1 . 18 . 1 . Взаимное расположение векторов ν → , B → и F Л → . Модуль силы Лоренца F Л → численно эквивалентен произведению площади параллелограмма, построенного на векторах ν → и B → и заряда q .
Сила Лоренца направлена нормально, то есть перпендикулярно, векторам ν → и B → .
Сила Лоренца не совершает работы при движении несущей заряд частицы в магнитном поле. Данный факт приводит к тому, что модуль вектора скорости в условиях движения частицы так же не меняет своего значения.
Если заряженная частица движется в однородном магнитном поле под действием силы Лоренца, а ее скорость ν → лежит в плоскости, которая направлена нормально по отношению к вектору B → , то частица будет совершать движение по окружности некоторого радиуса, рассчитывающегося с помощью следующей формулы:
Сила Лоренца в данном случае применяется в качестве центростремительной силы (рис. 1 . 18 . 2 ).
Рисунок 1 . 18 . 2 . Круговое движение заряженной частицы в однородном магнитном поле.
Для периода обращения частицы в однородном магнитном поле будет справедливо следующее выражение:
T = 2 π R υ = 2 π m q B .
Данная формула наглядно демонстрирует отсутствие зависимости заряженных частиц заданной массы m от скорости υ и радиуса траектории R .
Применение силы Лоренца
Приведенное снизу соотношение представляет собой формулу угловой скорости движения заряженной частицы, происходящего по круговой траектории:
ω = υ R = υ q B m υ = q B m .
Оно носит название циклотронной частоты. Данная физическая величина не имеет зависимости от скорости частицы, из чего можно сделать вывод, что и от ее кинетической энергии она не зависит.
Данное обстоятельство находит свое применение в циклотронах, а именно в ускорителях тяжелых частиц (протонов, ионов).
На рисунке 1 . 18 . 3 приводится принципиальная схема циклотрона.
Рисунок 1 . 18 . 3 . Движение заряженных частиц в вакуумной камере циклотрона.
Дуант – это полый металлический полуцилиндр, помещенный в вакуумную камеру между полюсами электромагнита в качестве одного из двух ускоряющих D -образного электрода в циклотроне.
К дуантам приложено переменное электрическое напряжение, чья частота эквивалентна циклотронной частоте. Частицы, несущие некоторый заряд, инжектируются в центре вакуумной камеры. В промежутке между дуантами они испытывают ускорение, вызываемое электрическим полем. Частицы, находящиеся внутри дуантов, в процессе движения по полуокружностям испытывают на себе действие силы Лоренца. Радиус полуокружностей возрастает с увеличением энергии частиц. Как и во всех других ускорителях, в циклотронах ускорение заряженной частицы достигается путем применения электрического поля, а ее удержание на траектории с помощью магнитного поля. Циклотроны дают возможность ускорять протоны до энергии, приближенной к 20 М э В .
Однородные магнитные поля используются во многих устройствах самых разных типов назначений. В частности, они нашли свое применение так называемых масс-спектрометрах.
Масс-спектрометры – это такие устройства, использование которых позволяет нам измерять массы заряженных частиц, то есть ионов или ядер различных атомов.
Данные приборы используются для разделения изотопов (ядер атомов с одинаковым зарядом, но разными массами, к примеру, Ne 20 и Ne 22 ). На рис. 1 . 18 . 4 изображен простейшая версия масс-спектрометра. Вылетающие из источника S ионы проходят через несколько малых отверстий, которые в совокупности формируют узкий пучок. После этого они попадают в селектор скоростей, где частицы движутся в скрещенных однородных электрическом, создающимся между пластинами плоского конденсатора, и магнитном, возникающим в зазоре между полюсами электромагнита, полях. Начальная скорость υ → заряженных частиц направлена перпендикулярно векторам E → и B → .
Частица, которая движется в скрещенных магнитном и электрическом полях, испытывает на себе воздействия электрической силы q E → и магнитной силы Лоренца. В условиях, когда выполняется E = υ B , данные силы полностью компенсируют воздействие друг друга. В таком случае частица будет двигаться равномерно и прямолинейно и, пролетев через конденсатор, пройдет через отверстие в экране. При заданных значениях электрического и магнитного полей селектор выделит частицы, которые движутся со скоростью υ = E B .
После данных процессов частицы с одинаковыми значениями скорости попадают в однородное магнитное поле B → камеры масс-спектрометра. Частицы под действием силы Лоренца движутся в камере перпендикулярной магнитному полю плоскости. Их траектории представляют собой окружности с радиусами R = m υ q B ‘ . В процессе измерения радиусов траекторий при известных значениях υ и B ‘ , мы имеем возможность определить отношение q m . В случае изотопов, то есть при условии q 1 = q 2 , масс-спектрометр может разделить частицы с разными массами.
С помощью современных масс-спектрометров мы имеем возможность измерять массы заряженных частиц с точностью, превышающей 10 – 4 .
Рисунок 1 . 18 . 4 . Селектор скоростей и масс-спектрометр.
Магнитное поле
В случае, когда скорость частицы υ → имеет составляющую υ ∥ → вдоль направления магнитного поля, подобная частица в однородном магнитном поле будет совершать спиралевидное движение. Радиус такой спирали R зависит от модуля перпендикулярной магнитному полю составляющей υ ┴ вектор υ → , а шаг спирали p – от модуля продольной составляющей υ ∥ (рис. 1 . 18 . 5 ).
Рисунок 1 . 18 . 5 . Движение заряженной частицы по спирали в однородном магнитном поле.
Исходя из этого, можно сказать, что траектория заряженной частицы в каком-то смысле «навивается» на линии магнитной индукции. Данное явление используется в технике для магнитной термоизоляции высокотемпературной плазмы – полностью ионизированного газа при температуре порядка 10 6 K . При изучении управляемых термоядерных реакций вещество в подобном состоянии получают в установках типа «Токамак». Плазма не должна касаться стенок камеры. Термоизоляция достигается путем создания магнитного поля специальной конфигурации. На рисунке 1 . 18 . 6 в качестве примера проиллюстрирована траектория движения несущей заряд частицы в магнитной «бутылке» (или ловушке).
Рисунок 1 . 18 . 6 . Магнитная «бутылка». Заряженные частицы не выходят за ее пределы. Необходимое магнитное поле может быть создано с помощью двух круглых катушек с током.
Такое же явление происходит в магнитном поле Земли, которое защищает все живое от потока несущих заряд частиц из космического пространства.
Быстрые заряженные частицы из космоса, по большей степени от Солнца, «перехватываются» магнитным полем Земли, вследствие чего образуются радиационные пояса (рис. 1 . 18 . 7 ), в которых частицы, будто в магнитных ловушках, перемещаются туда и обратно по спиралеобразным траекториям между северным и южным магнитными полюсами за доли секунды.
Исключением являются полярные области, в которых часть частиц прорывается в верхние слои атмосферы, что может приводить к возникновению таких явлений, как «полярные сияния». Радиационные пояса Земли простираются от расстояний около 500 к м до десятков радиусов нашей планеты. Стоит вспомнить, что южный магнитный полюс Земли находится поблизости с северным географическим полюсом на северо-западе Гренландии. Природа земного магнетизма до сих пор не изучена.
Рисунок 1 . 18 . 7 . Радиационные пояса Земли. Быстрые заряженные частицы от Солнца, в основном электроны и протоны, попадают в магнитные ловушки радиационных поясов.
Возможно их вторжение в верхние слои атмосферы, служащее причиной возникновения «северных сияний».
Рисунок 1 . 18 . 8 . Модель движения заряда в магнитном поле.
Рисунок 1 . 18 . 9 . Модель Масс-спектрометра.
Рисунок 1 . 18 . 10 . Модель селектора скоростей.
Сила Лоренца в магнитном поле
Содержание:
Определение
Сила Лоренца представляет собой комбинацию магнитной и электрической силы на точечном заряде, который вызван электромагнитными полями. Или другими словами, сила Лоренца – это сила, действующая на всякую заряженную частицу, которая падает в магнитном поле с определенной скоростью. Ее величина зависит от величины магнитной индукции В, электрического заряда частицы q и скорости, с которой частица падает в поле – V. О том какая формула расчета силы Лоренца, а также ее практическое значение в физике читайте далее.
Немного истории
Первые попытки описать электромагнитную силу были сделаны еще в XVIII веке. Ученые Генри Кавендиш и Тобиас Майер высказали предположение, что сила на магнитных полюсах и электрически заряженных объектах подчиняется закону обратных квадратов. Однако экспериментальное доказательство этого факта не было полным и убедительным. Только в 1784 году Шарль Августин де Кулон при помощи своего торсионного баланса смог окончательно доказать это предположение.
В 1820 году физиком Эрстедом был открыт факт, что на магнитную стрелку компаса действует ток вольта, а Андре-Мари Ампер в этом же году смог разработать формулу угловой зависимости между двумя токовыми элементами. По сути, эти открытия стали фундаментом современной концепции электрических и магнитных полей. Сама же концепция получила свое дальнейшее развитие в теориях Майкла Фарадея, особенно в его представлении о силовых линиях. Лорд Кельвин и Джеймс Максвелл дополнили теории Фарадея подробным математическим описанием. В частности Максвеллом было создано так званное, «уравнение поля Максвелла» – представляющее собой систему дифференциальных и интегральных уравнений, описывающих электромагнитное поле и его связь с электрическими зарядами и токами в вакууме и сплошных средах.
Джей Джей Томпсон был первым физиком, кто попытался вывести из уравнения поля Максвелла электромагнитную силу, которые действует на движущийся заряженный объект. В 1881 году он опубликовал свою формулу F = q/2 v x B. Но из-за некоторых просчетов и неполного описания тока смещения она оказалась не совсем правильной.
И вот, наконец, в 1895 году голландский ученый Хендрик Лоренц вывел правильную формулу, которая используется и поныне, а также носит его имя, как и та сила, что действует на летящую частицу в магнитном поле, отныне называется «силой Лоренца».
Формула
Формула для расчета силы Лоренца выглядит следующим образом:
Где q – электрический заряд частицы, V – ее скорость, а B – величина магнитной индукции магнитного поля.
При этом поле B выступает в качестве силы, перпендикулярной к направлению вектора скорости V нагрузок и направлению вектора B. Это можно проиллюстрировать на диаграмме:
Правило левой руки
Правило левой руки позволяет физикам определять направление и возврат вектора магнитной (электродинамической) энергии. Представьте себе, что наша левая рука расположена таким образом, что линии магнитного поля направлены перпендикулярно внутренней поверхности руки (так, что они проникают внутрь руки), а все пальцы за исключением большого указывают на направление протекания положительного тока, отклоненный большой палец указывает на направление электродинамической силы, действующий на положительный заряд, помещенный в это поле.
Вот так это будет выглядеть схематически.
Есть также и второй способ определения направления электромагнитной силы. Он заключается в расположении большого, указательного и среднего пальцев под прямым углом. В этом случае указательный палец будет показывать направление линий магнитного поля, средний – направление движение тока и большой – направление электродинамической силы.
Практическое применение
Сила Лоренца и ее расчеты имеет свое практическое применение при создании как специальных научных приборов – масс-спектрометров, служащих для идентификации атомов и молекул, так и создании многих других устройств самого разнообразного применения. Среди устройств есть и электродвигатели, и громкоговорители, и рельсовые пистолеты.
Также способность силы Лоренса связывать механическое смещение с электрическим током представляет большой интерес для медицинской акустики.
Рекомендованная литература и полезные ссылки
- Болотовский Б. М. Оливер Хевисайд. — Москва: Наука, 1985. — С. 43-44. — 260 с.
- Матвеев А. Н. Механика и теория относительности. — 3-е изд. — М. Высшая школа 1976. — С. 132.
Видео
Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка
При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.
Похожие посты:
- Сила Лоренца в магнітному полі
- Сила Ампера и закон Ампера
- Третий закон Ньютона: определение и формула
- Второй закон Ньютона: определение и формула
- Сила трения: определение, формулы
Один комментарий
Павел Чайка ! – так в чем же ПРИРОДА сил Лоренца (да и Ампера)? Ответ вы ни где не найдете, пока не подумаете сами. А вот насчет того, что сила Лоренца не совершает работу = все повторяют это, но сравните сами кинетическую энергию частицы до .. и после, после того как она движется в магнитном поле по кругу: здесь энергия больше, чем вначале.
Я к чему это? Наука зашла в тупик, следовало бы задавать больше вопросов, выяснять суть процессов (а не УРА!, КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА ВСЕ ОБЪЯСНИТ), заставлять ЗАДУМЫВАТЬСЯ над вопросами, а не подавать все готовенькое, и при том искаженное.
Сила Лоренца – основные понятия, формулы и определение с примерами
Содержание:
- Сила Лоренца:
- Как определить направление силы Лоренца
- Что такое сила Лоренца
- Пример решения задачи
Сила Лоренца:
Центростремительное (нормальное) ускорение появляется при криволинейном движении тела и характеризует скорость изменения направления скорости с течением времени. Оно вычисляется по формуле 
Согласно закону Ампера на проводник с током в магнитном поле действует сила, которую можно рассматривать как результат действия магнитного поля на все движущиеся в проводнике заряды. Отсюда можно сделать вывод, что магнитное поле оказывает силовое действие на каждый движущийся заряд.
По закону Ампера на проводник длиной 
Поскольку электрический ток — направленное движение заряженных частиц, то силу тока можно представить в виде 
где q — величина заряда одной частицы, n — концентрация заряженных частиц (число частиц в единице объема проводника), 
— средняя скорость упорядоченного движения заряженных частиц, S — площадь поперечного сечения проводника.
Тогда 
где 
— число заряженных частиц, упорядоченно движущихся во всем объеме проводника длиной 
Разделив модуль силы F на число частиц N, получим модуль силы, действующей на один движущийся заряд со стороны магнитного поля: 
где v — модуль скорости движущегося заряда.
Выражение для силы, с которой магнитное поле действует на движущийся заряд, в 1895 г. впервые получил голландский физик Хендрик Антон Лоренц. В его честь эта сила называется силой Лоренца: 
Как определить направление силы Лоренца
Направление силы Лоренца определяется по правилу левой руки (рис. 153):
если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная к скорости 
составляющая вектора индукции 
магнитного поля входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление движения положительно заряженной частицы, то отогнутый на 90° большой палец укажет направление силы Лоренца 
действующей на частицу со стороны магнитного поля. Для отрицательно заряженной частицы (например, для электрона) направление силы будет противоположным.
Поскольку сила Лоренца перпендикулярна вектору скорости, то она не может изменить модуль скорости, а изменяет только ее направление и, следовательно, работы не совершает.
Таким образом, если поле однородно, то при движении частицы перпендикулярно к магнитной индукции поля ее траекторией будет окружность (рис. 154, а), плоскость которой перпендикулярна к магнитному полю.
Ускорение частицы 
(R — радиус окружности) направлено к центру окружности. Используя второй закон Ньютона, можем найти период обращения частицы по окружности 
и радиус окружности
описываемой частицей в магнитном поле.
Если скорость направлена под углом к индукции магнитного поля, движение заряда можно представить в виде двух независимых движений (рис. 154, б):
- равномерного вдоль поля со скоростью
( — составляющая вектора скорости, параллельная вектору индукции магнитного поля); - по окружности радиусом R в плоскости, перпендикулярной к вектору , с постоянной по модулю скоростью ( — составляющая вектора скорости, перпендикулярная вектору индукции магнитного ноля).
( 
— составляющая вектора скорости, параллельная вектору индукции 
магнитного поля);
( 
— составляющая вектора скорости, перпендикулярная вектору индукции В результате сложения обоих движений возникает движение по винтовой линии, ось которой параллельна магнитному полю (см. рис. 154, б). Период этого движения определяется по формуле 
Действие силы Лоренца широко применяется в различных электротехнических устройствах:
- электронно-лучевых трубках телевизоров и дисплеев;
- ускорителях заряженных частиц (циклотронах);
- масс-спектрометрах — приборах, определяющих отношение зарядов частиц к их массе по радиусу окружности, описываемой ими в магнитном поле;
- магнитогидродинамических генераторах ЭДС (МГД-генератор — устройство для генерации электрических токов, использующее проводящие жидкости, движущиеся в магнитном поле).
Что такое сила Лоренца
Силой Лоренца FЛ называют силу, действующую на электрически заряженную частицу, двигающуюся в электромагнитном поле, определяя действия на нес электрической» и магнитного полей одновременно. Это выражается формулой:
где 
– электрическая составляющая силы Лоренца, описывающая взаимодействие движущейся частицы и равная 
– магнитная составляющая силы Лоренца, определяющая взаимодействие заряженной частицы с магнитным полем.
Сила Лоренца действует на движущуюся электрически заряженную частицу в электромагнитном поле.
Для упрощения рассмотрим случай, когда 
, а сила Лоренца равна магнитной составляющей.
Выясним, как можно рассчитать силу, действующую на движущуюся заряженную частицу в магнитном поле. Как известно, электрический ток в проводнике – это упорядоченное движение заряженных частиц. Согласно электронной теории сила тока рассчитывается по формуле:
где I – сила тока; е – заряд частицы; 
— концентрация частиц в проводнике; V – объем; 
– скорость движения частиц; S площадь поперечного сечения проводники.
Действие магнитного поля на проводник с током является действием магнитного поля на все движущиеся заряженные частицы. Поэтому формулу силы Ампера можно записать с учетом выражения силы тока в электронной теории:
Если учесть, то 
Если сила Ампера является равнодействующей всех сил, действующих на N частиц, то на одну частицу будет действовать сила в N раз меньше:
Это и есть формула для расчета магнитной составляющей силы Лоренца: 
Магнитная составляющая силы Лоренца 
Анализ этой формулы позволяет сделать выводы, что:
- магнитная составляющая силы Лоренца действует только на движущуюся частицу (≠ 0);
- магнитная составляющая не действует на движущуюся частицу, которая движется вдоль линии магнитной индукции (а = 0).
≠ 0);Направление магнитной составляющей силы Лоренца, как и силы Ампера, определяется по правилу левой руки. При этом необходимо учитывать, что это справедливо для положительно заряженных частиц. Если определять направление силы Лоренца, действующей на электрон или другую отрицательно заряженную частицу, то, применяя правило левой руки, нужно мысленно изменять направление движения на противоположное.
Сила Лоренца направлена всегда под некоторым углом к скорости частицы, поэтому она придает ей центростремительное ускорение (рис. 2.15).
Для случая, если 
Рис. 2.15. Сила Лоренца придает частице центростремительное ускорение
Таким образом, заряженная частица, попадая в магнитной поле, начинает двигаться по дуге окружности. При иных значениях α ≠ О траектория движения частицы в магнитном поле приобретает форму спирали.
Наблюдать действие силы Лоренца можно с помощью электронно-лучевой трубки, которая есть во многих осциллографах (рис. 2.16), Если включить питание осциллографа, то на его экране можно увидеть светлое пятно, появившееся в месте падения электронов на экран. Если теперь сбоку поднести к трубке постоянный магнит, то пятно сместится, что подтверждает действие магнитного поля на движущиеся электроны.
Рис. 2.16. Магнитное поле смещает электронный пучок в трубке осциллографа
Действие силы Лоренца применяется во многих приборах и технических установках. Так, смещение электронного луча, который «рисует» изображение на экране вакуумного кинескопа телевизора или дисплея компьютера, совершается магнитным полем специальных катушек, в которых проходит электрический ток, изменяющийся во времени по определенному закону,
В научных исследованиях применяют так называемые циклические ускорители заряженных частиц, в них магнитное поле мощных электромагнитов удерживает заряженные частицы на круговых орбитах.
Весьма перспективными для развития электроэнергетики являются магнито-гидродипамические генераторы (МГД-генераторы) (рис. 2.17). Поток высокотемпературного газа (плазмы), который образуется при сгорании органического топлива и имеет высокую концентрацию ионов обоих знаков, пропускается через магнитное ноле.
Puc. 2.17. Схема, объясняющая действие МГД-генератора
Вследствие действия силы Лоренца ионы отклоняются от прежнего направления движения и оседают на специальных электродах, сообщая им определенный заряд. Полученную при этом разность потенциалов можно использовать для получения электрического тока. Такие установки в будущем могут существенно повысить КПД тепловых «электростанций за счет выработки дополнительной электроэнергии при прохождении газов, которые после выхода из топки имеют довольно высокую температуру и высокую ионизацию, через MГД-генераторы.
Пример решения задачи
Электрон влетает в однородное магнитное поле с индукцией 10 -4 Тл перпендикулярно к линиям магнитной индукции. Его скорость 1.6 . 10 6 м/с. Найти радиус окружности, по которой движется электрон.
| Дано: В = 10 -4 Тл,  = 1,6 ∙ 10 -6 м/с, е = 1,6 • 10 -19 Кт,  = 90°. |
Peшение Сила Лоренца в данном случае действует под прямым углом к скорости движения электрона, не изменяя его скорости. Поэтому она придает электрону центростремительное ускорение. Таким образом, можно записать:  |
| R-? |
Отсюда 
Подставим значения физических величин:
Ответ: электрон будет двигаться по круговой орбите, радиус которой 9,1 ∙ 10 -2 м.
При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org
Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи
Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей
Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.
Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.
Сила Лоренца
теория по физике магнетизм
Сила Лоренца — сила, действующая на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля.
Модуль силы Лоренца обозначается как FЛ. Единица измерения — Ньютон (Н).
Модуль силы Лоренца численно равен отношению модуля силы F, действующий на участок проводника длиной l, к числу N заряженных частиц, упорядоченно движущихся на этом участке проводника:
Рассмотрим отрезок тонкого прямого проводника с током. Пусть длина отрезка ∆l и площадь поперечного сечения проводника S настолько малы, что вектор индукции магнитного поля → B можно считать неизменным в пределах этого отрезка проводника.
Сила тока I в проводнике связана с зарядом частиц q, концентрацией заряженных частиц (число зарядов в единице объема) и скоростью их упорядоченного движения v следующей формулой:
Модуль силы, действующей со стороны магнитного поля на выбранные элемент тока, равен:
F = | I | Δ l B sin . α
Подставляя сюда выражение, полученное для силы тока, получим:
F = | q n v S | Δ l B sin . α = | q | n v S Δ l B sin . α
Учтем, что число заряженных частиц в рассматриваемом объеме равно произведению величины этого объема на концентрацию самих частиц:
F = | q | v N B sin . α
Следовательно, на каждый движущийся заряд действует сила Лоренца, равная:
F Л = F N . . = | q | v N B sin . α N . . = | q | v B sin . α
α — угол между вектором скорости движущегося заряда и вектором магнитной индукции.
Пример №1. Определить силу, действующую на заряд 0,005 Кл, движущийся в магнитном поле с индукцией 0,3 Тл со скоростью 200 м/с под углом 45 o к вектору магнитной индукции.
F Л = | q | v B sin . α = 0 , 005 · 200 · 0 , 3 · √ 2 2 . . ≈ 0 , 2 ( Н )
Направление силы Лоренца
Сила Лоренца перпендикулярна вектору магнитной индукции и вектору скорости движущегося заряда. Ее направление определяется с помощью правила левой руки:
Если левую руку расположить так, чтобы составляющая магнитной индукции → B , перпендикулярная скорости заряда, входила в ладонь, а четыре пальца были направлены по движению положительного заряда (против движения отрицательного), то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление действующей на заряд силы Лоренца.
Пример №2. Протон p имеет скорость → v , направленную горизонтально вдоль прямого длинного проводника с током I (см. рисунок). Куда направлена действующая на протон сила Лоренца?
В точке, в которой находится протон, вектор магнитной индукции направлен в сторону от наблюдателя. Это следует из правила буравчика. Теперь применим правило левой руки. Для этого четыре пальца левой руки направим в сторону движения протона — вправо. Ладонь развернем в сторону наблюдателя, чтобы линии магнитной индукции входили в нее перпендикулярно. Теперь отставим на 90 градусов большой палец. Он показывает вверх. Следовательно, сила Лоренца, действующая на протон, направлена вверх.
Работа силы Лоренца
Поскольку вектор силы Лоренца направлен перпендикулярно скорости движения заряда, угол между перемещением этого заряда и этой силы равен 90 о . Работа любой силы определяется формулой:
Но так как косинус 90 о равен 0, сила Лоренца не совершает работу. Это значит, что сила Лоренца не влияет на модуль скорости перемещения заряда. Но она может менять вектора его скорости.
Полная сила, действующая на заряд
При решении задач, в которых заряженная частица находится одновременно в электрическом и магнитном полях, нужно учитывать, что не нее действует сразу две силы. Со стороны магнитного поля — сила Лоренца. Со стороны электрического поля — сила → F э л , действующая на неподвижный заряд, помещенный в данную точку поля. Она равна произведению этого заряда на напряженность электрического поля:
Следовательно, полная сила, действующая на заряд, равна:
→ F = → F э л + → F л = q → E + | q | → v → B sin . α
Пример №3. В пространстве, где существует одновременно однородное и постоянное электрическое и магнитное поля, по прямолинейной траектории движется протон. Известно, что напряженность электрического поля равна → E . Какова индукция → B магнитного поля?
Прямолинейное движение протона возможно в двух случаях:
- Вектор → E направлен вдоль траектории движения протона. Тогда вектор → B также должен быть направлен вдоль этой траектории, и его модуль может быть любым, так как магнитное поле на частицу действовать не будет.
- Векторы → E , → B и → v взаимно перпендикулярны, и сила, действующая на протон со стороны электрического поля, равна по модулю и противоположна по направлению силе Лоренца, действующей на протон со стороны магнитного поля (см. рисунок).
Заряд протона равен модулю заряда электрона — e . Сложим силы, действующие на протон по оси ОУ:
В скалярной форме:
Протон ускоряется постоянным электрическим полем конденсатора, напряжение на обкладках которого 2160 В. Затем он влетает в однородное магнитное поле и движется по дуге окружности радиуса 20 см в плоскости, перпендикулярной линиям магнитной индукции. Каков модуль вектора индукции магнитного поля? Начальной скоростью протона в электрическом поле пренебречь. Ответ выразить в мТл, округлив до десятых.
Сила Лоренца.
Сила Лоренца – это сила, действующая на движущийся точечный электрический заряд во внешнем магнитном поле.
Нидерландский физик X. А. Лоренц в конце XIX в. установил, что сила, действующая со стороны магнитного поля на движущуюся заряженную частицу, всегда перпендикулярна направлению движения частицы и силовым линиям магнитного поля, в котором эта частица движется. Направление силы Лоренца можно определить с помощью правила левой руки. Если расположить ладонь левой руки так, чтобы четыре вытянутых пальца указывали направление движения заряда, а вектор магнитной индукции поля входил в отставленный большой палец укажет направление силы Лоренца, действующей на положительный заряд.
Если заряд частицы отрицательный, то сила Лоренца будет направлена в противоположную сторону.
Модуль силы Лоренца легко определяется из закона Ампера и составляет:
где q — заряд частицы, v — скорость ее движения, ? — угол между векторами скорости и индукции магнитного поли.
Если кроме магнитного поля есть еще и электрическое поле, которое действует на заряд с силой 
, то полная сила, действующая на заряд, равна:
.
Часто именно эту силу называют силой Лоренца, а силу, выраженную формулой (F = |q|vB sin?) называют магнитной частью силы Лоренца.
Поскольку сила Лоренца перпендикулярна направлению движения частицы, она не может изменить ее скорость (она не совершает работы), а может изменить лишь направление ее движения, т. е. искривить траекторию.
Такое искривление траектории электронов в кинескопе телевизора легко наблюдать, если поднести к его экрану постоянный магнит – изображение исказится.
Движение заряженной частицы в однородном магнитном поле. Пусть заряженная частица влетает со скоростью v в однородное магнитное поле перпендикулярно линиям напряженности.
Сила, действующая со стороны магнитного поля на частицу, заставит ее равномерно вращаться по окружности радиусом r, который легко найти, воспользовавшись вторым законом Ньютона, выражением целеустремленного ускорения и формулой (F = |q|vB sin?):
.
.
где m — масса частицы.
Применение силы Лоренца.
Действие магнитного поля на движущиеся заряды применяется, например, в масс-спектрографах, позволяющих разделять заряженные частицы по их удельным зарядам, т. е. по отношению заряда частицы к ее массе, и по полученным результатам точно определять массы частиц.
Вакуумная камера прибора помещена в поле (вектор индукции 
перпендикулярен рисунку). Ускоренные электрическим полем заряженные частицы (электроны или ионы), описав дугу, попадают на фотопластину, где оставляют след, позволяющий с большой точностью измерить радиус траектории r. По этому радиусу определяется удельный заряд иона. Зная заряд иона, легко вычислите его массу.
Сила Лоренца просто и понятно: определение, формула, правило левой руки
Определение и формула силы Лоренца
Сила $bar
называется силой Лоренца (магнитной силой)
Исходя из определения (1) модуль рассматриваемой силы:
$$F=q v B sin alpha(2)$$
где $bar
Немного истории
Первые попытки описать электромагнитную силу были сделаны еще в XVIII веке. Ученые Генри Кавендиш и Тобиас Майер высказали предположение, что сила на магнитных полюсах и электрически заряженных объектах подчиняется закону обратных квадратов. Однако экспериментальное доказательство этого факта не было полным и убедительным. Только в 1784 году Шарль Августин де Кулон при помощи своего торсионного баланса смог окончательно доказать это предположение.
В 1820 году физиком Эрстедом был открыт факт, что на магнитную стрелку компаса действует ток вольта, а Андре-Мари Ампер в этом же году смог разработать формулу угловой зависимости между двумя токовыми элементами. По сути, эти открытия стали фундаментом современной концепции электрических и магнитных полей. Сама же концепция получила свое дальнейшее развитие в теориях Майкла Фарадея, особенно в его представлении о силовых линиях. Лорд Кельвин и Джеймс Максвелл дополнили теории Фарадея подробным математическим описанием. В частности Максвеллом было создано так званное, «уравнение поля Максвелла» – представляющее собой систему дифференциальных и интегральных уравнений, описывающих электромагнитное поле и его связь с электрическими зарядами и токами в вакууме и сплошных средах.
Джей Джей Томпсон был первым физиком, кто попытался вывести из уравнения поля Максвелла электромагнитную силу, которые действует на движущийся заряженный объект. В 1881 году он опубликовал свою формулу F = q/2 v x B. Но из-за некоторых просчетов и неполного описания тока смещения она оказалась не совсем правильной.
И вот, наконец, в 1895 году голландский ученый Хендрик Лоренц вывел правильную формулу, которая используется и поныне, а также носит его имя, как и та сила, что действует на летящую частицу в магнитном поле, отныне называется «силой Лоренца».
Направление силы Лоренца
Сила Лоренца (как и всякая сила) – это вектор. Ее направление перпендикулярно вектору скорости $bar
вектор $bar$ направлен перпендикулярно плоскости рисунков на нас.
Сила Ампера
Существование силы Ампера подтверждает простой опыт.
Если поместить между полюсами магнита проводник и пропустить по нему электрический ток, то можно увидеть, что проводник отклоняется от своего исходного положения. Это означает, что со стороны магнитного поля на него действует сила. Эта сила называется силой Ампера. Её величина определяется законом Ампера: «Со стороны магнитного поля на проводник с током действует сила, величина которой прямо пропорциональна силе тока, длине проводника в магнитном поле, модулю вектора магнитной индукции и синусу угла между вектором магнитной индукции и направление тока в проводнике». Математическое выражение этого закона выглядит так:
FA = I·l·В·sinα,
где I
– величина тока в проводнике;
– длина проводника с током в магнитном поле;
— угол между вектором магнитной индукции и направление тока в проводнике.
Следствия свойств силы Лоренца
Так как сила Лоренца направлена всегда перпендикулярно направлению скорости заряда, то ее работа над частицей равна нулю. Получается, что воздействуя на заряженную частицу при помощи постоянного магнитного поля нельзя изменить ее энергию.
Если магнитное поле однородно и направлено перпендикулярно скорости движения заряженной частицы, то заряд под воздействием силы Лоренца будет перемещаться по окружности радиуса R=const в плоскости, которая перпендикулярна вектору магнитной индукции. При этом радиус окружности равен:
где m – масса частицы,|q|- модуль заряда частицы, $gamma=frac<1>
Сила Лоренца — это центростремительная сила. По направлению отклонения элементарной заряженной частицы в магнитном поле делают вывод о ее знаке (рис.2).
Примеры задач в физике электротехнике
В качестве примеров будут рассмотрены задачи, связанные с силой Ампера. Примеры решений специфические, но сам метод решения довольно простой.
Задача № 1
Исходные данные для выполнения: длина проводника – 20 см, сила тока, протекающая в нем – 300 мА, угол между проводником и вектором магнитной индукции – 45о. Величина магнитной индукции – 0,5 Тл.
Требуется найти силу однородного магнитного поля, воздействующую на проводник.
Решение: необходимо применять основную формулу – Fa = B x I x L x sinα. Подставив нужные значения, получаем: Fa = 0,5 Тл х 0,3А х 0,2 м х (√2/2) = 0,03 Н.
Задача № 2
Исходные данные для решения: Проводник помещен в магнитное поле, индукция которого составляет 10 Тл. Сила действия магнитного поля перпендикулярна проводнику и составляет 20 Н. Сила тока, протекающего в проводнике – 5А.
Требуется вычислить длину отрезка проводника.
Решение: за основу берется формула Fa = B x I x L x sinα. Длина проводника определяется следующим образом: L = Fa/(B x I x sinα). Поскольку sinα = 1, получаем: L = Fa/(B x I). Остается подставить нужные значения и получить результат: L = 20Н/(10Тл х 5А) = 0,4 м.
Существуют аналогичные задачи с использованием силы Лоренца. Наглядно рассматрим два примера, которые решаются просто и понятно.
Задача № 3
Исходные данные для выполнения: в магнитном поле с индукцией 0,3 Тл передвигается заряд величиной 0,005 Кл со скоростью 200 м/с. Угол между направлением заряда и вектором магнитной индукции – 45º.
Определяется: величина силы, воздействующей на заряд.
Решение: используется основная формула FL = |q| x V x B x sinα. Подставляя исходные данные, получаем следующее: FL = 0,005Кл х 200м/с х 0,3Тл х sin 45о = (0,3 х √2)/2 = 0,21Н.
Задача № 4
Исходные данные для решения: заряженная частица величиной 0,5 мКл движется в магнитном поле с индукцией 2 Тл. Сила, действующая на заряд со стороны магнитного поля – 32 Н. Направление движения частицы и вектор магнитного поля расположены под углом 90º.
Требуется определить: скорость движения заряженной частицы.
Решение: изначально берется формула FL = |q| x V x B x sinα. Поскольку sinα = 1, она приобретает следующий вид: FL = |q| x V x B. Для определения скорости нужно: V = FL/(|q| x B). Остается вставить исходные данные: V = 32Н/(5*10-4Кл х 2Тл) = 32000 м/с.
Формула силы Лоренца при наличии магнитного и электрического полей
Если заряженная частица перемещается в пространстве, в котором находятся одновременно два поля (магнитное и электрическое), то сила, которая действует на нее, равна:
где $bar
Теория Лоренца
Хендрик Антон Лоренц
В 1892 г. голландский физик-теоретик Хендрик Антон Ло́ренц опубликовал работу «Электромагнитная теория Максвелла и её применение к движущимся телам», в которой объединил теорию поля и созданную им теорию электронного строения вещества. Лоренц предположил, что все молекулы вещества состоят из частиц, имеющих электрический заряд. Величина этих зарядов одинакова. Но одни из них заряжены отрицательно, другие положительно. Все эти элементарные заряды создают микроскопические электромагнитные поля, которые описываются уравнениями Максвелла.
Конечно, теория Лоренца имела недостатки и отличалась от современной электронной теории. Но в этой работе учёный вывел формулу силы, действующей на электрический заряд со стороны электромагнитного поля. Эту силу впоследствии назвали силой Лоренца.
Но что же такое электрический ток? Это направленное движение электрических зарядов. И если на каждую заряженную частицу действует сила Лоренца, то на отрезок проводника с током в электромагнитном поле должна действовать сила, величина которой равна сумме всех сил Лоренца, действующих на заряды, образующие электрический ток в проводнике.
И такая сила была открыта задолго до Лоренца. Ещё не зная о существовании силы, действующей на отдельный электрический заряд, французский физик Мари Андре Ампер в 1820 г. описал силу, действующую со стороны электромагнитного поля на проводник с током. Её назвали силой Ампера.
Силы Лоренца. Есть ли они на самом деле?
Силы Лоренца, что это такое? И что об этом говорит академическая наука? Г. Лоренцу принадлежит высказывание о том, что магнитное поле электрического тока можно рассматривать как поле создаваемое движущимися зарядами. С этим утверждением можно согласиться с небольшим уточнением, которое не влияет на физический смысл этого утверждения.
Приведенное высказывание подтверждено многочисленными опытами и оно справедливо не только для проводников с током, но и для постоянных магнитов. Оно также не противоречит моей альтернативной точке зрения о существовании вблизи магнита или проводника с током магнитного поля, представляющего собой интерференционную картину из МСЛ этого поля. Интерференционная картина образована излучением микромагнитных волн микро источниками в микроструктуре магнита или проводника с током. Магнитные поля представляют собой совокупность (сумму) этих МСЛ. Далее необходимо уточнить, что интерференционная картина МСЛ говорит о том, что магнитное поле вокруг магнита, соленоида или проводника с током не может быть однородным, а представляет собой области, в которых наблюдаются максимумы и минимумы интенсивности (напряженности) магнитного поля, что и подтверждается проявлением МСЛ с помощью железных опилок.
Не вызывает сомнения, что все процессы взаимодействия с участием магнитных полей связаны с микро зарядами (микро магнитами), но с точки зрения физического смысла магнитное поле может воздействовать не на сам заряд, а на его микро магнитное поле посредством микро МСЛ.
Другая гипотеза Г. Лоренца говорит о том, что силы, с которыми магнитное поле действует на проводники с током, являются силами, действующими на движущие заряды (электроны или ионы), составляющие этот ток. Эти силы называют силами Лоренца. На мой взгляд, приведенное утверждение недостаточно корректно отражает физический смысл взаимодействия внешних магнитных полей (ВМП) и проводников с током.
В качестве доказательства существования сил Лоренца приводится большое количество опытов, якобы подтверждающих существование этих сил. Рассмотрим некоторые из этих опытов, которые приводятся во многих статьях и учебниках, как фундаментальные опыты, «неопровержимо» подтверждающие гипотезу Лоренца.
Рис. 1
Первый опыт (рис.1) заключается в отклонении пучка электронов (катодные лучи) в электронно-лучевой трубке под действием магнитного поля. Идея опыта состоит в том, что из катода электронно-лучевой трубки излучается пучок электронов. На пути электронного пучка и перпендикулярно его направлению создается магнитное поле. Попадая в это поле, электроны отклоняются в одну или другую сторону в зависимости от полярности магнитного поля.
В классической физике это отклонение объясняется тем, что на электроны, движущиеся в магнитном поле, действует сила Лоренца, которая направлена перпендикулярно направлению движения этого пучка и направлению напряженности ВМП. Направление этой силы определяют по правилу левой руки.
Возникает вопрос, что же такое сила Лоренца? В чем ее физический смысл? Попробуем ответить на этот вопрос с моей альтернативной точки зрения.
В ранее опубликованных мной на сайте статьях проводилась идея о том, что магнитное поле может взаимодействовать только с другим магнитным полем. Это взаимодействие может осуществляться только посредством МСЛ. При этом многочисленные опыты показывают, что ток не может существовать отдельно от магнитного поля. Поэтому, когда говорят об отклонении электронного пучка (катодные лучи) в электронно-лучевой трубке магнитным полем, то нужно иметь в виду, что электроны – это микро магниты с микро МСЛ. ВМП создает собственное магнитное поле (СМП) этого пучка электронов и посредством МСЛ отклоняет этот пучок в направлении перпендикулярном движению этого пучка в одну сторону, а при изменении полярности (направления) ВМП отклоняет пучок электронов в трубке в противоположную сторону. Из этого следует, что в рассматриваемом эксперименте никаких других сил, действующих на пучок электронов кроме сил магнитного притяжения нет, т.е. нет сил Лоренца, о которых говорит нам академическая наука.
Рассмотрим другой опыт (рис.2), в котором заряды движутся вдоль радиусов сосуда, содержащего электролит. Внешнее магнитное поле организовано так, что оно направлено вверх перпендикулярно к направлению движения зарядов в сосуде. В опыте обнаруживается, что весь электролит начинает вращательное движение вдоль (в направлении) стрелки. Если изменить полярность магнитного поля или направление движения зарядов в электролите, то движение электролита в сосуде изменится на противоположное. С классической точки зрения силы Лоренца стремятся перемещать заряды в горизонтальном направлении по окружности перпендикулярно радиусу сосуда. Это объясняется тем, что под действием сил Лоренца непосредственно на заряды (ионы, электроны) последние приходят в столкновение с молекулами электролита, В результате столкновения с молекулами электролита и за счет трения между ними движется вся жидкость. Что касается движения электролита из-за столкновения и трения между зарядами и молекулами электролита, то с этим трудно не согласиться.
С моей точки зрения этот опыт не доказывает существование каких-либо сил, действующих непосредственно на заряды в электролите, а не на их микро МСЛ.
На самом деле вдоль всей замкнутой электрической цепи присутствует СМП (см. опыт Эрстеда). Это СМП непрерывно во всей замкнутой электрической цепи, включая источник тока. Следовательно, и в электролите присутствует СМП, образованное движущимися зарядами электролита. Всякое магнитное поле, как уже говорилось ранее, характеризуется наличием у микро или макро магнита или проводника с током МСЛ. Таким образом, ВМП и СМП зарядов электролита взаимодействуют посредством этих МСЛ, что приводит к их притяжению или отталкиванию. В результате заряды перемещаются в направлении перпендикулярном направлению ВМП, что и приводит к движению в этом направлении всего электролита в целом. Следовательно, и в этом случае сил Лоренца не существует.
Рис. 3
Еще один фундаментальный опыт в подтверждение существования сил Лоренца был проведен Эйхенвальдом (рис.3). В этом опыте металлический диск вращается в магнитном поле подковообразного магнита. Кромка диска соприкасается с ртутью. Один проводник от источника питания подключен к ванночке с ртутью, а второй к оси диска. При включении рубильника диск начинает вращаться. Если изменить направление тока, то диск будет вращаться в противоположную сторону. Академическая наука также объясняет это вращение силами Лоренца, которые действуют на заряды (в данном случае электроны), при этом электроны якобы движутся в направлении перпендикулярном направлению магнитного поля и, за счет столкновения с атомами диска, перемещают этот диск в том или ином направлении.
С моей точки зрения силы Лоренца здесь ни причем. Происходят те же самые процессы, что и описанные выше. При включении источника тока в замкнутой электрической цепи, включая ванночку с ртутью и диск, возникает СМП, МСЛ которого взаимодействуют с ВМП магнита. В результате этого взаимодействия диск начинает вращаться. И никакие другие силы, кроме сил магнитного притяжения или отталкивания, на диск не действуют.
То же самое происходит при воздействии магнитного поля постоянного магнита на проводник или виток с током при их относительном движении. Вначале, в витке индуцируется СМП при помощи ВМП, а уже затем ВМП взаимодействует с СМП посредством их МСЛ.
Аналогичное объяснение применимо и к рамке-витку с током в магнитном поле подковообразного магнита, которое является внешним магнитным полем по отношению к рамке-витку. Вращающий момент создается в результате взаимодействия ВМП подковообразного магнита и СМП проводников рамки посредством их МСЛ. Один проводник рамки втягивается, а второй выталкивается из магнита, а рамка стремится при этом установиться параллельно направлению ВМП. Создание вращательного момента рамки опять же возникает в результате взаимодействия СМП и ВМП постоянного магнита посредством их МСЛ. Такое же взаимодействие магнитных полей подтверждает предыдущий опыт, в котором проводник с током втягивается или выталкивается из подковообразного магнита.
Из вышесказанного следует, что с точки зрения физического смысла никаких сил Лоренца в природе не существует.
Любые силы, возникающие при взаимодействии магнитов и проводников с током между собой, есть силы притяжения или отталкивания магнитных полей посредством их МСЛ.
История изобретения радио
Радио – это средство передачи на расстояние сообщений, новостей, музыки, то, что многие слушают дома, в автомобиле или на работе. Невозможно представить нашу жизнь без такого привычного звукового вещания, как радиопередача. Но мало кто задумывался, как появилось это изобретение, и кто первый придумал радио. В этой статье расскажу про историю радио и ученых, которые внесли свой вклад в появление устройства, которое навсегда изменило мир.
История изобретения радио
Открытие электромагнитного поля в 1845 году, к которому долго шел английский ученый-физик М. Фарадей, стало сенсацией 19 века. Спустя два десятилетия, тоже англичанин – Д. К. Максвелл теоретически обосновал и сформулировал существование электромагнитных волн, одним из видов которых являются радиоволны. Человек их не видит и не ощущает, поэтому без обоснования теории электродинамики было бы невозможно создание самого радиоприемника.
Эти два открытия и послужили отправной точкой изобретения радио, хотя не сразу были приняты научным сообществом. Было сделано множество работ и изобретений. Только по прошествии еще двадцати лет, в 1886-88 годах, немецкий ученый Генрих Герц поставил удачный эксперимент с простым прибором, состоящим из генератора и резонатора, и зафиксировал излучение электромагнитных волн на короткое расстояние. Но практического применения этой конструкции Г. Герц не видел.
Генрих Рудольф Герц
Физики разных стран год за годом проводили эксперименты по усовершенствованию электромагнитных волновых приемников и расширению диапазона передачи сигнала. Среди этих ученых были Т. Эдисон в 1876-85 годах, О. Лодж и Э. Бранли в 1889-90 годах, Н. Тесла в 1891-93 годах, индийский физик Д. Чандра Бозе в 1894 году и многие другие
Первое радио Попова
Кто первый создатель радио
Ученые всего мира искали способы передачи сигналов на расстояние. Изобретателями радиоприемника по праву считают нескольких претендентов, которые работали одновременно, но никак не были связаны между собой. Эти фамилии многие знают – русский ученый Александр Попов, американец Никола Тесла, итальянский предприниматель . Гульельмо Маркони.
Н. Тесла первым запатентовал свое изобретение, которое использовалось для дальнейшего развития радиосвязи. Он продемонстрировал, как генератор переменного тока производит колебания токов высокой, для того времени, частоты, и метод подавления звука при помощи этих частот. Он первым зафиксировал явление электрического резонанса. Весной 1891 года Н. Тесла получил американский патент на свой инновационный метод.
Уже в 1893 году американский ученый читает лекции и демонстрирует как при помощи резонанс-трансформатора можно передавать электрические сигналы в эфир. Он доказывает, что эту техническую систему можно использовать для беспроводной связи.
Российскому физико-химическому сообществу Александр Попов читал доклад весной 1895 года и тогда продемонстрировал усовершенствованный прибор О. Лоджа. Позднее, в 1896 году, русский ученый опубликовал статью в научном издании о создании им в 1895 году прибора приема электромагнитных колебаний на расстояние до 60 м, который в дальнейшем может быть применен для передачи сигналов на большие расстояния.
В марте 1897 года на очередной лекции А. Попов демонстрирует передачу и прием сигнала в стенах здания. Продолжая работу над изобретением телеграфного беспроводного передатчика, уже в декабре того же года русский ученый успешно производит прием сигнала из четырех букв «ГЕРЦ» на расстояние более 250 м от передающей станции. Но А. Попов был практик и не стремился фиксировать свои достижения перед мировым ученым сообществом.
В Италии Гульельмо Маркони так же работает над созданием передачи и приема телеграфного сигнала, и весной 1895 года провел эксперимент передачи сигнала на несколько сотен метров. Летом 1896 года итальянский предприниматель подает заявку на получение патента Великобритании на изобретение своей аппаратуры. В сентябре он успешно демонстрирует прием сигнала на расстояние до 2,5 км. В июле 1897 года Маркони получает патент, оформленный от 2 июня 1896 года.
Принцип работы радио
Радио – это первая беспроводная связь. Носителем сигнала являются радиоволны, распространяющиеся в пространстве. Это невероятно простое устройство, которые используется в разных ситуациях. Например, радио-няня – маленький аппарат в детской комнате принимает звук и передает его родителям, находящимся в другом помещении. По такой связи можно отправлять не только звуковые сигналы, но и изображения на огромные расстояния.
У термина «радио» есть несколько значений. Во-первых – само устройство, для приема звуковых передач. Во-вторых – область науки или техники, которые занимаются изучением передачи и приема радиоволн.
Впервые, в радиоприемнике, изобретенном А. Поповым для Российского военно-морского флота, был применен когерер – прибор, чувствительный к электромагнитным волнам. Один вывод когерера был заземлен, другой, присоединен к проволоке и высоко поднят.
Схема радио Попова
Устройство первого радиоприемника А. Попова имеет следующие детали:
- электромагнитное реле;
- батарея (источник постоянного тока);
- антенный провод;
- когерер;
- молоточек звонка;
- чашечка звонка;
- электромагнит звонка.
Принцип работы таков:
1) Высокочастотные колебания формируются в радиопередатчике – это несущий сигнал или несущая частота, на которую накладывается информация и происходит модуляция с помощью электрических колебаний низкой частоты. Антенна передает в эфир радиоволны (модулированный сигнал).
2) Приемная антенна находит модулированные сигналы и отправляет в радиоприемник.
3) Детектор в приемнике выделяет полезный сигнал нужной несущей частоты из множества радиосигналов от разных радиопередатчиков.
Появление термина «broadcasting»
Термин – бродкастинг («broadcasting», англ. яз.) появился в начале прошлого века. Broadcasting переводится как широкий разброс, распространение, а позднее закрепилось значение – радиовещание, телевещание, трансляция, широковещание.
Существует история появления этого термина в индустрии трансляций радио и телевидения:
В 1909 году калифорнийский преподаватель колледжа электроники, изобретатель Ч. Геррольд создает радиостанцию. Он использует технологию с искровым разрядником. Несущая частота модулируется голосом, позже еще и музыкой. Его музыкальные и новостные передачи сначала слушали ученики и выпускники колледжа.
Чарльз Геррольд за работой на радиостанции
Изобретатель был сыном фермера и использовал сельскохозяйственный термин – «broadcasting», который означает «рассеивание семян по полю, в разных направлениях», для определения радиоволновой передачи. Он ввел слова:
«narrowcasting» – узкое распространение, один получатель;
«broadcasting» – широкое распространение, массовая аудитория.
Развитие радио и радиовещания
В 1897 году Г. Маркони сделал существенный прорыв в развитии радиовещания. Он соединил приемник с телеграфным аппаратом, а передатчик с ключом Морзе, и получил радиотелеграфическую связь. По его мнению, антенны приёмника и передатчика должны были быть одной длины, что повышало мощность передатчика. К тому же, А. Попов отмечал лучшую чувствительность детектора Гульельмо Маркони.
В 1898 году итальянский изобретатель первым находит возможность настройки радио (патент получен в 1900 году). Тогда он открывает в Великобритании свой первый «завод беспроволочного телеграфа».
В конце 1898 года, француз Э. Дюкретэ начинает мало-серийный выпуск приемников системы А. Попова.
Приборы, созданные на заводе Э. Дюкретэ, успешно используются на Черноморском флоте и в других спасательных морских операциях России. В 1900 году радиотелеграфные сообщения передавались между севшим на мель российским броненосцем, радиостанцией острова Гогланд, военно-морской базой в Котке, Адмиралтейством в Санкт-Петербурге. В результате обмена радиограммами – ледокол «Ермак» пришел на помощь кораблю, а также спас финских рыбаков на оторвавшейся льдине.
Радиомастерская в Кронштадте. Александр Попов (справа)
В 1906 году ученые-изобретатели Р. Фессенден и Л. Форест обнаружили принцип амплитудной модуляции радиосигнала низкочастотным сигналом. Это сделало возможным передавать человеческую речь и музыку в эфире. 24 декабря корабли в море услышали Р. Фессендена – он читал отрывки из библии и играл на скрипке.
В 1907 году Г. Маркони создал постоянно действующую телеграфную линию между Ирландией и Шотландией.
В 1909 году за выдающийся вклад в развитие беспроводной телеграфии Г. Маркони становится лауреатом Нобелевской премии.
Холодный апрель 1912 года. Пассажирский лайнер «Титаник» вышел в свое первое и последнее плавание. Он был оснащен самыми современными комплектами искровых станций беспроводной телеграфии «Международной компании морской связи Маркони». В начале прошлого столетия корабельные радиостанции передавали сообщения на расстояние около 200 километров. Радиопередатчик «Титаника» был верхом технической мысли того времени. Сигнал уверено уходил на 800 километров днем, а ночью распространялся до 3 тысяч километров. Богатые пассажиры с удовольствием пользовались техническим новшеством и рассылали телеграммы своим родственникам прямо с борта «Титаника».
Ночью произошло столкновение с огромной льдиной, и в эфире впервые прозвучал тревожный сигнал «SOS». Ледяная вода заполняла нижние отсеки лайнера, людей сажали в шлюпки, которых на всех не хватало, на палубе началась паника. Почти через два часа после полного погружения судна на место кораблекрушения прибыл пароход «Карпатия» и подобрал людей из шлюпок. Благодаря радиотелеграфии были спасены жизни более 700 человек. Вот пример того, что радиосвязь необходима в любой ситуации.
Радиовещание в СССР
В Советской России первые опытные радиотрансляции в 1919 году проводились в Нижнем Новгороде, в 1920 году в Москве, Казани и нескольких больших городах. В 1921 году была принята программа по организации радиовещания в крупных городах и уездных центрах. В конце сентября в Москве начал работать первый радиоузел. Так внедрилось постоянное массовое вещание радиопередач по уличным громкоговорителям в СССР.
В 1922 году в нашей столице на Шаболовке было завершено строительство самой высокой в СССР 160-метровой башни, позднее названной в честь архитектора В. Шухова. Весной на Шуховскую башню установили мощные радиопередатчики, а к концу лета начали осуществлять пробные передачи для населения страны.
Шуховская башня. 1922 год
В тридцатые годы прошлого века радиовещание сыграло большую роль в патриотическом воспитании населения, пропаганде передовых методов труда, стахановского движения, организации социалистических соревнований и др.
Со временем были заложены основы радиорепортажа и радиоинтервью, особую популярность приобрел жанр радионовостей. Появились музыкальные, развлекательные, спортивные, детские радиопередачи.
В 1937 году радиовещание перенесено в новый Московский радиодом на Малой Никитской, пущен коротковолновый радиопередатчик.
До ВО войны Советский Союз отставал в развитии радиосвязи от других стран. К 1940 году в США имелось более 50 миллионов радиоприемников, в Англии около 10 миллионов, а во Франции порядка 5 миллионов. На тот момент в СССР существовало 15 радиозаводов, где было выпущено 140 тысяч радиоприемников. К 41-му году насчитывалось около 500 тысяч приборов радиовещания.
В 1941-42 годах, в условиях ВО войны, всего за девять месяцев была построена самая мощная в мире Куйбышевская радиовещательная станция. Это был «Секретный объект №15», на строительство которого из лагерей доставили около двух десятков политзаключенных с техническим, инженерным образованием и связистов. Двухэтажный подземный бункер, где располагалось радиооборудование, до сих пор находится на глубине 22 метров под землей. Первая испытательная передача велась на средних волнах.
Куйбышевская радиовещательная станция. Грузовой вход в техническое здание.
В секретном режиме военного времени на станции в Куйбышеве работал московский диктор Ю. Левитан. Не многие знают, что знаменитую фразу: «Говорит Москва!», он произносил из стен Куйбышевского радиодома.
Основное назначение было вещание на СССР, Европу, Северную Африку и Дальний Восток. Также велись передачи на английском, немецком и французском языках. В ночное время сигнал принимался и в США. Через эту станцию шла связь с резидентурой Юстас-Алексу. На полную мощность радиостанция заработала в 1945 году, а впоследствии названа в честь А. Попова.
Юрий Левитан – диктор Всесоюзного радио Госкомитета СССР
Радиовещание в диапазоне УКВ стало широко внедряться в послевоенные годы. Начинается строительство областных телерадиоцентров, радиофикация колхозов, переход Всесоюзного радио на трехпрограммное вещание.
В период с 1929 по 2014 годы вещание на зарубежные страны велось «Московским радио», преобразованным в 1993 году в «Голос России». С 2014 года иновещание осуществляется радиостанцией Sputnik.
В 2012 году Государственной комиссией по радиочастотам (ГКРЧ) подписан протокол, согласно которому выделяется полоса радиочастот для создания на территории Российской Федерации сетей цифрового радиовещания.
История зарубежного радиовещания
Радиовещание становится средством массовой информации в 1922-23 годах, которое начинает конкурировать с печатными СМИ. Почти во всех странах мира транслируются экспериментальные радиопередачи.
В Америке к концу 1922 года было выдано почти 600 лицензий на право радиовещания. Целью таковой деятельности могло быть освещение новостей в стране, просветительство, религиозные или культурные программы, трансляция концертов и т. п.
BBC: В декабре 1922 года в Великобритании начинает ежедневные передачи на Лондон общественная радиовещательная организация «British Broadcasting Company» (Би-Би-Си), созданная при участии Г. Маркони. Спустя год вещание охватывает Манчестер и Бирмингем.
British Broadcasting Company
URI: В итальянском городе Турин 27 августа 1924 года основан радиофонический союз «Unione radiofonica italiana», при посредничестве британской и американской корпораций: «Radiofono» и «SIRAC». URI был единственным итальянским радиовещателем, имеющим право транслировать новости, представляющие общественный интерес. Первую станцию установили в Риме (1924 год), затем в Милане (1925 год) и в Неаполе (1926 год). Бедной Италии было сложно содержать и развивать радиовещание. Широкое распространение ипродвижение радио получило при фашистском режиме в тридцатые годы.
NBC: в 1926 году в Соединённых Штатах появляется первая крупная радиовещательная сеть, сформированная «Радиокорпорацией Америки» – «National Broadcasting Company» (Эн-Би-Си).
National Broadcasting Company
DW GmbH: в 1926 году появляется немецкая радиокомпания «Deutsche Welle GmbH», которая запускает в том же году внутринемецкую общественную радиостанцию «Deutschlandsender» (Передатчик Германии) на длинных волнах. Летом 1929 году начала вещание на немецком языке коротковолновая радиостанция «Weltrundfunksender» (Мировой радиовещательный передатчик) в направлении всех континентов.
CBS: в 1927 году возникла Колумбийская система фонографического вещания и с 1928 года носит название – «Columbia Broadcasting System». Сеть становится одной из крупнейших радиовещательных, позднее, в 30-х годах входит в Большую тройку американских вещательных телевизионных сетей.
Так, в двадцатые годы прошлого столетия появились две школы радиовещания:
- частное американское радио;
- европейское общественно-правовое радио.
Изобретение радио навсегда изменило историю человечества.
