洛伦兹力在现代科技中的应用探讨

摘要：在磁场中，运动电荷所受到的力我们将其称之为洛伦兹力，简单来说，就是磁场对运动电荷的作用力就是洛伦兹力。基于洛伦兹力机制在科技领域中的应用，催生出各类科技仪器设备，加快推动科学技术发展的步伐。鉴于此，文章针对洛伦兹力在现代科技中的具体应用展开一系列的分析和探讨，以更好的将理论应用于实践。

关键词：洛伦兹力 现代科技 应用

洛伦兹力概念的诞生，是物理学上的重要进步。1895年，洛伦兹建立了经典电子论，对运动电荷在磁场中所受的力，提出了基本假定，而后，这种假定通过了多次实验，证明了物质的存在。因磁场对运动电荷的作用力观点是荷兰物理学家洛伦兹提出，人们为聊表纪念将这种力叫做洛伦兹力。在高中物理中学习洛伦兹力这部分知识，通常会借助洛伦兹力演示仪。在激光器帮助下，能够清晰了解在洛伦兹力影响下，带电粒子情况，为洛伦兹力在现代科技中应用这部分知识的学习打下良好的基础。

一、洛伦兹力的应用——速度选择器

（一）速度选择器的构造

速度选择器的构造相对简单，主要由两部分组成，即处于正交状态的匀强电场与匀强磁场构成。用字母E表示电场强度，用字母B表示磁感应强度，借助平行板装置进行试验，可以发现磁感应强度B与电场强度E处于相互垂直的状态，通过此试验能够将具备一定速度的带电粒子挑选出来。

（二）速度选择器的原理

洛伦兹力的发现经过了严格的实验。在实验中，可以判定从电子束从阴极发射出来，在高压的作用下，激發出荧光，那么就会在示波器上显示运动的痕迹。如果没有外磁场，电子束就会按照直线前进，而如果射线受到影响，电子束的运动就会发生弯曲。而电荷受到的作用力就是洛伦兹力。洛伦兹认为物质的分子都含有电子，电子就是阴极射线的粒子。电是具有原子性的，是微笑实体的组合。在高中物理学习中对速度选择器进行了介绍，其原理为：带电粒子应始终保持一定的速度，将大小及方向等控制在限定范围内，只有这样才能确保沿着直线通过速度选择器。而速度的大小则需要基于电场力与洛伦兹力的平衡进行明确。确定下来标准速度后，如果带电粒子的运行速度小于这个速度，则表明洛伦兹力小于电场力，带电粒子的偏转会趋向电场力方向，此时的电场力正在做正功，其动能也会有所增大。如果带电粒子的速度大于这一速度，则说明洛伦兹力大于电场力，带电粒子会向洛伦兹力的方向发生偏转，此时的电场力正在做负功，其动能也会有所减少[1]。

（三）速度选择器的特点

通过对速度选择器这部分知识的学习，对其构造和原理有了具体的了解。针对速度选择器可以大体总结出以下特点：（1）速度选择器只会选择速度，而不会选择粒子。包括粒子的质量、电性及电量等均不在选择范围内。（2）速度选择器中的电场强度E与磁感应强度B的方向既要保持互相垂直，还应对其关系进行明确，要求洛伦兹力与电场力应始终保持等大且反向的状态。（3）速度选择器不能用于反向使用，也就是说其中带电粒子只能沿着事先确定的方向通过。如果确定的速度方向必须向左，如果沿着相反的方向通过，即便是采用相同的运行速度也不能通过。

二、洛伦兹力的应用——磁流体发电机

（一）磁流体发电机的构造

磁流发电机的主要构造如图1所示：

（二）等离子体的产生

等离子体就是在高温作用下，使得气体发生电离，经电离后的气体会带有电子、离子以及一部分未经电离的中性粒子。虽然其中带有大量的正负电离子，但是正负电荷的密度大体一致，所以从整体上来说，等离子体状态为电中性，等离子体也可以称之为物质的第四态。等离子体是自由电子和带电离子，是宇宙中存在的广泛物质。等离子具有高电导率，与磁场之间存在着很强的耦合作用。等离子属于高导电体，如果利用设计好的磁场，就可以使得等离子迅速运动，实现实用技术和工艺上的发展。等离子表现为电离了的气体，会呈现出不稳定状态。等离子在磁场中的运动，受磁场环境的约束。因此，等离子应用的范围，也在逐渐扩大。

（三）磁流体发电机的原理

磁流发电机的工作原理为等离子体喷入磁场，在洛伦兹力的作用下，会导致正负粒子出现上下偏移，最后正负粒子会聚集在特定位置，进而产生了电势差。以构造图为例具体来讲就是图中的字母A、B代表平行板电极，在A、B之间匀强磁场垂直于纸面向里。确保等离子体的状态与极板相互平行，以高速射入板极间，在洛伦兹力的作用下，带电正离子会向A板的方向偏转，而带电负离子则会向B板方向偏转。在A板和B板上会分别积累正负电荷。从而在两板之间就产生了电势差，进而形成了电场[2]。

三、洛伦兹力的应用——电磁流量计

（一）电磁流量计的构造

电磁流量计的主要构造为：以非磁性材料构成且直径为d的一个圆形管道，将其放置在磁场中，在内部管道会有能够导电的气体或液体流过。从结构角度来讲电磁流量计主要由两部分构成分别为电磁流量传感器与转换器。其中传感器多用于安装在工业过程管道中，能够实现将流进管道内的液体体积流量值，以线性方式转换成感生电磁信号，然后经由传输线顺利将信号输送到转换器中。而转换器的安装与传感器距离较近，其作用在于可以将传感器输送过来的流量信号放大处理，并将其转换为标准的电信号输出，从而实现各项功能的正常发挥。

（二）电磁流量计的原理

电磁流量计主要的理论依据是法兰第电磁感应原理。主体结构以流量传感变送器组成。测量原理则不会依赖流量。主要原理解释为用来测量管内导电介质体积流量的感应式仪表。整体结构为磁路系统、测量导管、电极、外壳、衬里和转换器。以字母a表示电磁流量计管道的上部，而字母b则表示下部。电子流量计运行阶段，在洛伦兹力的作用下其内部导电流体中的正负离子会发生偏转。此时在a、b之间就会产生电势差，进而形成电场。如果导电流体中受到的洛伦兹力与电场力处于平衡状态，此时a、b之间的电势差就会处于稳定。电磁流量计没有可动部件，量程范围宽，反应灵敏，线性好，数据准确。电磁流量计这样的特殊性就可以应用到工业的多个领域。例如化工、造纸、冶金等行业。

四、洛伦兹力的应用——质谱仪

（一）质谱仪的构造

通常情况下，质谱仪组成部分主要包括：速度选择器、静电加速器、粒子源、显示频和偏转磁场。

（二）质谱仪的原理

质谱仪作为一种较为精密的仪器，又称质谱计。质谱法的主要原理就是在高真空系统中测定样品的方法。采用分子离子以及碎片离子质量，确定分子质量和结构的方法。化合物在受到电子流冲击后，质量和电荷比值发生变化。这些变化记录下来的图谱就是质谱。借助磁场与电场的作用下实现对电荷运动的控制。质谱仪主要应用于同位素的分析中，能够分离和检测不同同位素。对带电粒子的质量、含量比及荷质比进行测定。即根据带电粒子在电磁场中能够偏转的原理，按物质原子、分子或分子碎片的质量差异进行分离和检测物质组成的一类仪器。质谱仪能用高能电子流等轰击样品分子，使该分子失去电子变为带正电荷的分子、离子和碎片离子。这些不同离子具有不同的质量，质量不同的离子在磁场的作用下到达检测器的时间不同，其结果为质谱图。

五、洛伦兹力的应用——回旋加速器

回旋加速器是由美国物理学家劳伦斯发明的，是洛伦茲力在科学技术中的应用典例，通过教师的教学，我们了解到回旋加速器是物理教学中的一个难点。

（一）回旋加速器的构造

回旋加速器的主要部分为两个半圆形的金属扁盒，在扁盒中间留有一条细缝，在细缝中心位置的附近放置粒子源O。将半圆形盒装在真空容器中，确保整个装置处于超强电磁铁的两级中间，而匀强磁场的方向始终垂直于半圆形盒的底面。将两个半圆形金属盒分别连接到高频电源的两级。回旋加速器构造如图2所示：

（二）回旋加速器的原理

将回旋加速器的金属盒用字母D表示，两个半圆形金属盒分别用D1和D2表示。如果交流电周期与粒子运动周期等同，那么能够使粒子在匀速圆周运动期间每次经过D形金属盒的细缝时，其受到的电场力同速度方向一致。也就是说每经过一次电场，速度就会加快，粒子在一次次的运动中速度不断增加，当速度到达一定程度后，就会从金属盒的边缘飞出，从而获得较高的速率（能量）。

六、结语

总而言之，针对洛伦兹力在现代科技中的应用，学习重点在于熟练掌握各类实际应用的工作原理。通过对各种仪器设备结构、原理及特点等方面的分析加深对洛伦兹力原理的理解和认识。只有学好这部分知识，才能为今后的物理学习奠定良好的基础。这不仅能够激发我们的物理思维，还能锻炼抽象思维能力。

参考文献：

[1]吴华春，杨石平.基于洛伦兹力的无轴承电机优化与特性分析[J].郑州大学学报（工学版），2018，（01）：67-72.

（作者简介：李天越，身份证号：370782200101270273）