МГД-Генератор Магнитное поле движущегося заряда

Каждый проводник с током создает в окружающем пространстве магнитное поле. Но электрический ток в любом проводнике есть движение заряженных частиц: в металлах — это движение электронов, в электролитах — ионов, в газовом разряде — и ионов, и электронов. Отсюда можно заключить, что всякий движущийся заряд создает вокруг себя магнитное поле. Найдем величину этого поля.

Рассмотрим малый отрезок провода длиной l с током i.

 Согласно  (1) этот отрезок создает в некоторой точке, удаленной на расстояние r, напряженность поля

Но силу тока можно выразить через плотность тока j и сечение провода S(i=jS), а плотность тока — через концентрацию заряженных частиц n и их скорость u (j=neu, где e — заряд частицы). Это дает

где N — полное число частиц в отрезке провода. Поэтому напряженность поля можно представить в виде

Отсюда следует, что напряженность поля, вызываемого одной заряженной частицей, имеет значение

   Направление этого поля перпендикулярно к скорости u частиц и к радиусу-вектору r, проведенному из заряда в рассматриваемую точку, и подчиняется, как и прежде, правилу правого буравчика.

Пользуясь обозначениями векторной алгебры, можно выразить и величину и направление поля движущегося заряда одной формулой

   Эта формула выражает напряженность поля положительного заряда, движущегося со скоростью u. Если движется отрицательный заряд, то в формуле нужно заменить e на –e.

Сила Лоренца. Движение зарядов в магнитном поле.

На заряд, двигающийся в магнитном поле действует сила, которую называют силой Лоренца. Определим величину данной силы. На провод длинной L с током I в магнитном поле действует сила

ILBsin(L,B),

Где  B—магнитная индукция. С другой стороны IL=Nev, где N-полное число движущихся заряженных частиц внутри провода. Направл. L совпадает с направл. Ск-ти v движения положительных частиц, следовательно, мы можем представить выражение для силы в следующем виде:

NevBsin(v,B)

Сила, действующая на тело пропорциональна полному числу движущихся частиц, а значит, сила, действующая на одну частицу равна

F=evBsin(v,B)

Направление этой силы перпендикулярно к направлению скорости v и магнитной индукции B и подчиняется правилу правого буравчика. Полученный результат можно выразить в виде векторной формулы

F=e,

Дающей и величину, и направление силы.

Поперечное движение заряда в однородном магнитном поле.

   На заряд действует .

- сила Лоренца, действующая на заряд в магнитном поле.

 - в векторном виде

   Характер движения частицы по окружности – траектория.

   Рассчитаем радиус:

 (6)

 (7)

   Из формулы (6) , что  тем больше, чем больше скорость и индукция. Из формулы (7) , что период обращения частицы не зависит от её скорости, а определяется только магнитным полем. Это свойство используется в ускорителях типа циклотрон для ускорения тяжёлых частиц.

Не поперечное движение зарядов в однородном магнитном поле.

В однородное электрическое поле влетает частица, скорость которой направлена не под углом .

   Под действием поперечной составляющей  частица движется по окружности, , а под действием продольной составляющей, частица будет продолжать двигаться вперёд, т.е. суммарное движение будет иметь вид винта. При этом шаг винта , где .

Такое поведение частиц используется для удержания плазмы магнитным полем.

Ускорители заряженных частиц

Ускорителями заряженных частиц называются устройства, в которых под действием электрических и магнитных полей создаются и управляются пучки высокоэнергетичныж заряженных частиц (электронов, протонов, мезонов и т. д.).

Любой ускоритель характеризуется типом ускоряемых частиц, энергией, сообщаемой частицам, разбросом частиц по энергиям и интенсивностью пучка. Ускорители делятся на непрерывные (из них выходит равномерный по времени пучок) и импульсные (из них частицы вылетают порциями — импульсами). Последние характеризуются длительностью импульса. По форме траектории и механизму ускорения частиц ускорители делятся на линейные, циклические и индукционные. В линейных ускорителях траектории движения частиц близки к прямым линиям, в циклических и индукционных — траекториями частиц являются окружности или спирали.

МГД - генератор

МГД(магнитогидродинамический) - генератор — устройство для непосредственного превращения тепловой энергии в электрическую с использованием эффекта Холла. В МГД - генераторе используется камера сгорания ракетного двигателя, в которой сгорает керосин. Для получения достаточной проводимости продуктов сгорания при T= 3000 K вводится ионизуемая присадка (например, пары Li). Использованный горячий газ разгоняется в сверхзвуковом сопле. В магнитном поле электромагнита происходит разделение зарядов — на электродах появляется разность потенциалов. Ресурс такого генератора пока невелик из-за эрозии электродов в горячем газе. Генератор используется в основном в электросетях как источник при пиковых нагрузках.