洛倫茲力在現(xiàn)代科技中的應(yīng)用探討

摘要：在磁場中，運(yùn)動電荷所受到的力我們將其稱之為洛倫茲力，簡單來說，就是磁場對運(yùn)動電荷的作用力就是洛倫茲力。基于洛倫茲力機(jī)制在科技領(lǐng)域中的應(yīng)用，催生出各類科技儀器設(shè)備，加快推動科學(xué)技術(shù)發(fā)展的步伐。鑒于此，文章針對洛倫茲力在現(xiàn)代科技中的具體應(yīng)用展開一系列的分析和探討，以更好的將理論應(yīng)用于實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：洛倫茲力 現(xiàn)代科技 應(yīng)用

洛倫茲力概念的誕生，是物理學(xué)上的重要進(jìn)步。1895年，洛倫茲建立了經(jīng)典電子論，對運(yùn)動電荷在磁場中所受的力，提出了基本假定，而后，這種假定通過了多次實(shí)驗(yàn)，證明了物質(zhì)的存在。因磁場對運(yùn)動電荷的作用力觀點(diǎn)是荷蘭物理學(xué)家洛倫茲提出，人們?yōu)榱谋砑o(jì)念將這種力叫做洛倫茲力。在高中物理中學(xué)習(xí)洛倫茲力這部分知識，通常會借助洛倫茲力演示儀。在激光器幫助下，能夠清晰了解在洛倫茲力影響下，帶電粒子情況，為洛倫茲力在現(xiàn)代科技中應(yīng)用這部分知識的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

一、洛倫茲力的應(yīng)用——速度選擇器

（一）速度選擇器的構(gòu)造

速度選擇器的構(gòu)造相對簡單，主要由兩部分組成，即處于正交狀態(tài)的勻強(qiáng)電場與勻強(qiáng)磁場構(gòu)成。用字母E表示電場強(qiáng)度，用字母B表示磁感應(yīng)強(qiáng)度，借助平行板裝置進(jìn)行試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度B與電場強(qiáng)度E處于相互垂直的狀態(tài)，通過此試驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)⒕邆湟欢ㄋ俣鹊膸щ娏Ｗ犹暨x出來。

（二）速度選擇器的原理

洛倫茲力的發(fā)現(xiàn)經(jīng)過了嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，可以判定從電子束從陰極發(fā)射出來，在高壓的作用下，激發(fā)出熒光，那么就會在示波器上顯示運(yùn)動的痕跡。如果沒有外磁場，電子束就會按照直線前進(jìn)，而如果射線受到影響，電子束的運(yùn)動就會發(fā)生彎曲。而電荷受到的作用力就是洛倫茲力。洛倫茲認(rèn)為物質(zhì)的分子都含有電子，電子就是陰極射線的粒子。電是具有原子性的，是微笑實(shí)體的組合。在高中物理學(xué)習(xí)中對速度選擇器進(jìn)行了介紹，其原理為：帶電粒子應(yīng)始終保持一定的速度，將大小及方向等控制在限定范圍內(nèi)，只有這樣才能確保沿著直線通過速度選擇器。而速度的大小則需要基于電場力與洛倫茲力的平衡進(jìn)行明確。確定下來標(biāo)準(zhǔn)速度后，如果帶電粒子的運(yùn)行速度小于這個速度，則表明洛倫茲力小于電場力，帶電粒子的偏轉(zhuǎn)會趨向電場力方向，此時的電場力正在做正功，其動能也會有所增大。如果帶電粒子的速度大于這一速度，則說明洛倫茲力大于電場力，帶電粒子會向洛倫茲力的方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，此時的電場力正在做負(fù)功，其動能也會有所減少[1]。

（三）速度選擇器的特點(diǎn)

通過對速度選擇器這部分知識的學(xué)習(xí)，對其構(gòu)造和原理有了具體的了解。針對速度選擇器可以大體總結(jié)出以下特點(diǎn)：（1）速度選擇器只會選擇速度，而不會選擇粒子。包括粒子的質(zhì)量、電性及電量等均不在選擇范圍內(nèi)。（2）速度選擇器中的電場強(qiáng)度E與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向既要保持互相垂直，還應(yīng)對其關(guān)系進(jìn)行明確，要求洛倫茲力與電場力應(yīng)始終保持等大且反向的狀態(tài)。（3）速度選擇器不能用于反向使用，也就是說其中帶電粒子只能沿著事先確定的方向通過。如果確定的速度方向必須向左，如果沿著相反的方向通過，即便是采用相同的運(yùn)行速度也不能通過。

二、洛倫茲力的應(yīng)用——磁流體發(fā)電機(jī)

（一）磁流體發(fā)電機(jī)的構(gòu)造

磁流發(fā)電機(jī)的主要構(gòu)造如圖1所示：

（二）等離子體的產(chǎn)生

等離子體就是在高溫作用下，使得氣體發(fā)生電離，經(jīng)電離后的氣體會帶有電子、離子以及一部分未經(jīng)電離的中性粒子。雖然其中帶有大量的正負(fù)電離子，但是正負(fù)電荷的密度大體一致，所以從整體上來說，等離子體狀態(tài)為電中性，等離子體也可以稱之為物質(zhì)的第四態(tài)。等離子體是自由電子和帶電離子，是宇宙中存在的廣泛物質(zhì)。等離子具有高電導(dǎo)率，與磁場之間存在著很強(qiáng)的耦合作用。等離子屬于高導(dǎo)電體，如果利用設(shè)計(jì)好的磁場，就可以使得等離子迅速運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)實(shí)用技術(shù)和工藝上的發(fā)展。等離子表現(xiàn)為電離了的氣體，會呈現(xiàn)出不穩(wěn)定狀態(tài)。等離子在磁場中的運(yùn)動，受磁場環(huán)境的約束。因此，等離子應(yīng)用的范圍，也在逐漸擴(kuò)大。

（三）磁流體發(fā)電機(jī)的原理

磁流發(fā)電機(jī)的工作原理為等離子體噴入磁場，在洛倫茲力的作用下，會導(dǎo)致正負(fù)粒子出現(xiàn)上下偏移，最后正負(fù)粒子會聚集在特定位置，進(jìn)而產(chǎn)生了電勢差。以構(gòu)造圖為例具體來講就是圖中的字母A、B代表平行板電極，在A、B之間勻強(qiáng)磁場垂直于紙面向里。確保等離子體的狀態(tài)與極板相互平行，以高速射入板極間，在洛倫茲力的作用下，帶電正離子會向A板的方向偏轉(zhuǎn)，而帶電負(fù)離子則會向B板方向偏轉(zhuǎn)。在A板和B板上會分別積累正負(fù)電荷。從而在兩板之間就產(chǎn)生了電勢差，進(jìn)而形成了電場[2]。

三、洛倫茲力的應(yīng)用——電磁流量計(jì)

（一）電磁流量計(jì)的構(gòu)造

電磁流量計(jì)的主要構(gòu)造為：以非磁性材料構(gòu)成且直徑為d的一個圓形管道，將其放置在磁場中，在內(nèi)部管道會有能夠?qū)щ姷臍怏w或液體流過。從結(jié)構(gòu)角度來講電磁流量計(jì)主要由兩部分構(gòu)成分別為電磁流量傳感器與轉(zhuǎn)換器。其中傳感器多用于安裝在工業(yè)過程管道中，能夠?qū)崿F(xiàn)將流進(jìn)管道內(nèi)的液體體積流量值，以線性方式轉(zhuǎn)換成感生電磁信號，然后經(jīng)由傳輸線順利將信號輸送到轉(zhuǎn)換器中。而轉(zhuǎn)換器的安裝與傳感器距離較近，其作用在于可以將傳感器輸送過來的流量信號放大處理，并將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電信號輸出，從而實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能的正常發(fā)揮。

（二）電磁流量計(jì)的原理

電磁流量計(jì)主要的理論依據(jù)是法蘭第電磁感應(yīng)原理。主體結(jié)構(gòu)以流量傳感變送器組成。測量原理則不會依賴流量。主要原理解釋為用來測量管內(nèi)導(dǎo)電介質(zhì)體積流量的感應(yīng)式儀表。整體結(jié)構(gòu)為磁路系統(tǒng)、測量導(dǎo)管、電極、外殼、襯里和轉(zhuǎn)換器。以字母a表示電磁流量計(jì)管道的上部，而字母b則表示下部。電子流量計(jì)運(yùn)行階段，在洛倫茲力的作用下其內(nèi)部導(dǎo)電流體中的正負(fù)離子會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。此時在a、b之間就會產(chǎn)生電勢差，進(jìn)而形成電場。如果導(dǎo)電流體中受到的洛倫茲力與電場力處于平衡狀態(tài)，此時a、b之間的電勢差就會處于穩(wěn)定。電磁流量計(jì)沒有可動部件，量程范圍寬，反應(yīng)靈敏，線性好，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。電磁流量計(jì)這樣的特殊性就可以應(yīng)用到工業(yè)的多個領(lǐng)域。例如化工、造紙、冶金等行業(yè)。

四、洛倫茲力的應(yīng)用——質(zhì)譜儀

（一）質(zhì)譜儀的構(gòu)造

通常情況下，質(zhì)譜儀組成部分主要包括：速度選擇器、靜電加速器、粒子源、顯示頻和偏轉(zhuǎn)磁場。

（二）質(zhì)譜儀的原理

質(zhì)譜儀作為一種較為精密的儀器，又稱質(zhì)譜計(jì)。質(zhì)譜法的主要原理就是在高真空系統(tǒng)中測定樣品的方法。采用分子離子以及碎片離子質(zhì)量，確定分子質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的方法。化合物在受到電子流沖擊后，質(zhì)量和電荷比值發(fā)生變化。這些變化記錄下來的圖譜就是質(zhì)譜。借助磁場與電場的作用下實(shí)現(xiàn)對電荷運(yùn)動的控制。質(zhì)譜儀主要應(yīng)用于同位素的分析中，能夠分離和檢測不同同位素。對帶電粒子的質(zhì)量、含量比及荷質(zhì)比進(jìn)行測定。即根據(jù)帶電粒子在電磁場中能夠偏轉(zhuǎn)的原理，按物質(zhì)原子、分子或分子碎片的質(zhì)量差異進(jìn)行分離和檢測物質(zhì)組成的一類儀器。質(zhì)譜儀能用高能電子流等轟擊樣品分子，使該分子失去電子變?yōu)閹д姾傻姆肿印㈦x子和碎片離子。這些不同離子具有不同的質(zhì)量，質(zhì)量不同的離子在磁場的作用下到達(dá)檢測器的時間不同，其結(jié)果為質(zhì)譜圖。

五、洛倫茲力的應(yīng)用——回旋加速器

回旋加速器是由美國物理學(xué)家勞倫斯發(fā)明的，是洛倫茲力在科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用典例，通過教師的教學(xué)，我們了解到回旋加速器是物理教學(xué)中的一個難點(diǎn)。

（一）回旋加速器的構(gòu)造

回旋加速器的主要部分為兩個半圓形的金屬扁盒，在扁盒中間留有一條細(xì)縫，在細(xì)縫中心位置的附近放置粒子源O。將半圓形盒裝在真空容器中，確保整個裝置處于超強(qiáng)電磁鐵的兩級中間，而勻強(qiáng)磁場的方向始終垂直于半圓形盒的底面。將兩個半圓形金屬盒分別連接到高頻電源的兩級。回旋加速器構(gòu)造如圖2所示：

（二）回旋加速器的原理

將回旋加速器的金屬盒用字母D表示，兩個半圓形金屬盒分別用D1和D2表示。如果交流電周期與粒子運(yùn)動周期等同，那么能夠使粒子在勻速圓周運(yùn)動期間每次經(jīng)過D形金屬盒的細(xì)縫時，其受到的電場力同速度方向一致。也就是說每經(jīng)過一次電場，速度就會加快，粒子在一次次的運(yùn)動中速度不斷增加，當(dāng)速度到達(dá)一定程度后，就會從金屬盒的邊緣飛出，從而獲得較高的速率（能量）。

六、結(jié)語

總而言之，針對洛倫茲力在現(xiàn)代科技中的應(yīng)用，學(xué)習(xí)重點(diǎn)在于熟練掌握各類實(shí)際應(yīng)用的工作原理。通過對各種儀器設(shè)備結(jié)構(gòu)、原理及特點(diǎn)等方面的分析加深對洛倫茲力原理的理解和認(rèn)識。只有學(xué)好這部分知識，才能為今后的物理學(xué)習(xí)奠定良好的基礎(chǔ)。這不僅能夠激發(fā)我們的物理思維，還能鍛煉抽象思維能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳華春，楊石平.基于洛倫茲力的無軸承電機(jī)優(yōu)化與特性分析[J].鄭州大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2018，（01）：67-72.

（作者簡介：李天越，身份證號：370782200101270273）