洛倫茲力演示儀

玄 陽，韓爍沖，苑帥康，葛大勇

(河北大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071002)

運(yùn)動(dòng)電荷在磁場中所受到的力稱為洛倫茲力,即磁場對運(yùn)動(dòng)電荷的作用力. 傳統(tǒng)洛侖茲力演示儀器主要有2類：1)洛倫茲力投影式演示儀,即電離溶液受洛倫茲力而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng). 演示時(shí),電離溶液受到洛倫茲力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng),需要放置小型漂浮物(如碎紙片)才能觀察到液體的旋轉(zhuǎn). 在演示過程中,由于溶液腐蝕,電極需要定期清理或更換,比較繁瑣. 2)玻璃泡式洛倫茲力演示儀. 該類儀器通過加速電子移動(dòng)并在磁場中產(chǎn)生繞轉(zhuǎn)，電離稀有氣體來顯示路徑,以達(dá)到演示目的. 該設(shè)備相對較復(fù)雜，體積較大,且演示操作不方便[1-2]. 本文設(shè)計(jì)了噴泉洛倫茲力演示儀,演示儀結(jié)構(gòu)簡單,易于維護(hù),效果明顯直觀,具有很強(qiáng)的趣味性.

1 儀器設(shè)計(jì)

圖1為噴泉式演示儀實(shí)物圖，以室溫下的CuSO4和NaSO4飽和溶液為導(dǎo)電溶液,在外加水平的電場和垂直的磁場作用下形成帶電離子的定向移動(dòng)的洛倫茲力,從而使液體向上運(yùn)動(dòng)[3-4]，原理示意如圖2所示.

圖1 噴泉式演示儀實(shí)物圖

噴泉式演示儀結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，選用石墨為惰性電極,在電解CuSO4的過程中,不會(huì)受到腐蝕,當(dāng)用較長時(shí)間后,調(diào)轉(zhuǎn)石墨電極的正負(fù)極,改變磁場方向,即可使得電解析出的Cu單質(zhì)再回到溶液中,可循環(huán)使用,避免更換電極.

圖2 噴泉式演示儀原理示意圖

圖3 噴泉式演示儀結(jié)構(gòu)圖

2 實(shí)驗(yàn)操作

常溫下配制CuSO4和NaSO4飽和溶液,倒入液箱中,使其達(dá)到所標(biāo)刻度處. 接通電源打開演示儀開關(guān),可觀察到飽和溶液經(jīng)電場電解后，在豎直方向的磁場作用下，形成噴泉.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

演示儀采用36 V/16.6 A電源供電,常溫下的CuSO4和NaSO4飽和溶液不需精確配置,溶液所在管道磁場強(qiáng)度接近勻強(qiáng)磁場(異名磁極相對,且距離較近,理論上和場強(qiáng)處近似相等),磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá)0. 6 T,在中間無磁體部分為0. 4 T，兩電極極板間距和磁極間距均為0. 01 m,溶液通電后,內(nèi)部電流經(jīng)測量為10～15 A. 根據(jù)F=I·L×B計(jì)算得到安培力大小為0.075 N,溶液的密度為1.2×103kg/m3,經(jīng)過計(jì)算理論上能將液體抬升0.06 m左右,實(shí)際能抬升0.05 m[5-7]. 經(jīng)過分析得出,在洛倫茲力的作用下,并不是全部的洛倫茲力都能夠提供使溶液上升的力,由于兩電極板存在一定的距離,離子在洛倫茲力的作用下會(huì)產(chǎn)生近似外螺旋上升的運(yùn)動(dòng)軌跡,這使得離子給水分子的沿著豎直方向上的力有一部分會(huì)因?yàn)樗俣确较虻钠D(zhuǎn)而損失. 此外,當(dāng)附加具有觀賞性的小型噴泉噴頭時(shí),能夠達(dá)到很好的演示效果,也能夠更好地實(shí)現(xiàn)趣味性.

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了噴泉洛倫茲力演示儀器演示了洛倫茲力的奇妙作用,具有較好演示效果,同時(shí)克服了其他洛倫茲力演示儀器的不足. 演示儀器展示了洛倫茲力如何變?yōu)橥七M(jìn)動(dòng)力，展示了如將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.