洛倫茲力演示儀

玄 陽，韓爍沖，苑帥康，葛大勇

(河北大學 物理科學與技術(shù)學院，河北 保定 071002)

運動電荷在磁場中所受到的力稱為洛倫茲力,即磁場對運動電荷的作用力. 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. 演示時,電離溶液受到洛倫茲力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動,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并在磁場中產(chǎn)生繞轉(zhuǎn)，電離稀有氣體來顯示路徑,以達到演示目的. 該設備相對較復雜，體積較大,且演示操作不方便[1-2]. 本文設計了噴泉洛倫茲力演示儀,演示儀結(jié)構(gòu)簡單,易于維護,效果明顯直觀,具有很強的趣味性.

1 儀器設計

圖1為噴泉式演示儀實物圖，以室溫下的CuSO4和NaSO4飽和溶液為導電溶液,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的洛倫茲力,從而使液體向上運動[3-4]，原理示意如圖2所示.

圖1 噴泉式演示儀實物圖

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,不會受到腐蝕,當用較長時間后,調(diào)轉(zhuǎn)石墨電極的正負極,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 實驗操作

常溫下配制CuSO4和NaSO4飽和溶液,倒入液箱中,使其達到所標刻度處. 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 實驗結(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度接近勻強磁場(異名磁極相對,且距離較近,理論上和場強處近似相等),磁感應強度可達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)過計算理論上能將液體抬升0.06 m左右,實際能抬升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產(chǎn)生近似外螺旋上升的運動軌跡,這使得離子給水分子的沿著豎直方向上的力有一部分會因為速度方向的偏轉(zhuǎn)而損失. 此外,當附加具有觀賞性的小型噴泉噴頭時,能夠達到很好的演示效果,也能夠更好地實現(xiàn)趣味性.

4 結(jié)束語

本文設計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動力，展示了如將理論知識應用到實際，激發(fā)了學生的學習興趣.