Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля—Ленц.
Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля—Ленца. Короткое замыкание тока. Мощность электрического тока.
2/15/21
ВОПРОСЫ
- Что называется проводником?
- Что называется диэлектриком?
- Почему в диэлектриках не течет электрический ток, в проводниках течет?
Вставка рисунка
Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля—Ленца .
Назовите основные действия тока на проводник.
- На предыдущих занятиях мы с вами говорили о различных действиях электрического тока, которые он способен оказывать, протекая в различных средах. Давайте с вами вспомним, что это за действия?
Какой прибор не вписывается в общий ряд? Уберите лишний.
Потребители электрического тока
1
4
2
3
5
6
- Чем ты руководствовался, делая выбор?
- Какое действие электрического тока проявляется в выбранных приборах?
Тепловое действие электрического тока.
- Тепловое действие тока проявляется в том, что при протекании тока по проводнику последний нагревается.
- Тепловое действие ток производит в любой проводящей среде: твёрдой, жидкой и газообразной.
Почему происходит нагрев проводника?
- Почему при прохождении электрического тока проводник нагревается?
- Какими свойствами должен обладать металл, из которого изготовляют спирали нагревательных элементов?
У нас имеется электрическая цепь, что происходит в ней при включении электрического ток
У нас имеется электрическая цепь, что происходит в ней при включении электрического ток
- При замыкании цепи лампа загоритьсягорит.
- Это объясняется тем, что при прохождении тока спираль лампы нагревается и дает свечение.
Вывод
- Проходя через проводник, электрический ток вызывает его нагрев.
Почему же проводники нагреваются?
Рассмотрим на примере движении одного электрона по проводнику
Электрический ток в металлическом проводнике – это упорядоченное движение
электронов. Проводник — это кристалл из ионов, поэтому электронам приходится «течь» между ионами, постоянно наталкиваясь на них. При этом часть кинетической энергии электроны передают ионам , заставляя их колебаться сильнее. Кинетическая энергия ионов увеличивается, следовательно увеличивается внутренняя энергия проводника , и следовательно его температура. А это и вызывает нагрев проводника.
БАТАРЕЯ
Почему же проводники нагреваются?
БАТАРЕЯ
Почему же проводники нагреваются?
Рассмотрим на примере движении одного электрона по проводнику
Электрический ток в металлическом проводнике – это упорядоченное движение
электронов.
Провод — это кристалл из ионов, поэтому электронам приходится «течь» между ионами, постоянно наталкиваясь на них. При этом часть кинетической энергии электроны передают ионам , заставляя их колебаться сильнее. Кинетическая энергия ионов увеличивается, следовательно увеличивается внутренняя энергия проводника , и следовательно его температура. А это и значит что, проводник нагревается
БАТАРЕЯ
От каких величин зависит нагревание проводника?
Многочисленные опыты показывают, что чем больше сила тока в проводнике тем и количество теплоты выделившееся в проводнике будет больше. Значит нагревание проводника зависит от силы тока (I).
q
2
3
От каких величин зависит нагревание проводника?
Но не только сила тока отвечает за то, что выделяется большое количество теплоты.
Был проведен эксперимент.
Зависимость количества теплоты, выделяющегося на проводнике от его сопротивления
- При пропускании электротока через проводники:
- Никелин нагревается до белого каления
- Сталь — краснеет
- Медный проводник остается темным
Q 1 ≠Q 2 ≠Q 3
I 1 = I 2 = I 3
А
медь
сталь
никелин
Следовательно количество теплоты зависит не только от силы тока, но и от того, из какого вещества изготовлен проводник.
А
никелин
медь
сталь
Вещество
Медь
Удельное сопротивление
Сталь
0,017
Нагрев проводника
Ом мм 2 /м
слабый
Никелин
0,1
средний
0,42
сильный
ВЫВОД: Чтобы проводник нагревался сильнее,
он должен обладать большим удельным сопротивлением
Нагревание проводников зависит не только от силы тока, но и от сопротивления проводников.
Нагревание проводников зависит не только от силы тока, но и от сопротивления проводников.
Так как сила тока в последовательно соединенных лампах одинакова , то количество теплоты , выделяемое в единицу времени, больше в лампе с большим сопротивлением .
R 1 R 2
- При одинаковой силе тока накал ламп разный. Лампа слева нагревается слабее, а то что справа — сильнее.
- Вывод: Чем больше сопротивление проводника, тем больше он нагревается.
Лампа слева нагревается слабее, а то что справа — сильнее.Закон Джоуля -Ленца
ДЖОУЛЬ ДЖЕЙМС ПРЕСКОТТ
Ленц Эмилий Христианович
(1818–1889),
(1804-1865 гг.),
английский физик
российский физик
в 19 веке установили зависимость выделившейся теплоты от силы тока и сопротивления
Закон Джоуля — Ленца
Количество теплоты Q , которое выделяется при протекании электрического тока по проводнику, зависит от силы тока в этом проводнике и от его электрического сопротивления.
Реши задачу!
Дано:
Си
R=35 Ом
—
t=5 мин
300 с
I= 5 А
—
Q= ?
Количество выделенной теплоты в проводниках зависит :
- От …
- От …
- От типа соединения нагрузок в электроцепи.
Зависимость выделения тепла в проводниках от типа соединения
Для сравнения количества теплоты, выделяемого в параллельно соединенных проводниках, закон Джоуля—Ленца удобно представить в виде:
а) последовательное соединение;
б) параллельное соединение
Зависимость выделения тепла в проводниках от типа соединения
Так как сила тока в последовательно соединенных лампах одинакова , то количество теплоты , выделяемое в единицу времени, больше в лампе с большим сопротивлением .
а) последовательное соединение;
б) параллельное соединение
Зависимость выделения тепла в проводниках
Из формулы следует, что при параллельном соединении ламп количество теплоты , выделяемое в каждой лампе в единицу времени, обратно пропорционально ее сопротивлению.
а) последовательное соединение;
б) параллельное соединение
ВЫВОД:
- Как нужно подключать тепловые электроприборы, чтобы выделялось больше тепла? меньше тепла?
а) последовательное соединение;
б) параллельное соединение
Практическое применение теплового действия тока
Тепловое действие тока используют в электронагревательных приборах и установках.
Основная часть прибора- нагревательный элемент, он представляет собой спираль из материала с большим удельным сопротивлением, способный выдерживать нагревание до высоких температур.
Чаще всего таким материалом является нихром.
http://900igr.net/fotografii/f…
Свойства металла для нагревательных элементов.
- Должен обладать наибольшим сопротивлением. (Q ~ R)
- Должен выдерживать высокие температуры.
Лампа накаливания
- Учёные, благодаря, которым появилась на свет современная лампочка, по странному стечению обстоятельств, родились в один тот же год — 1847-ой. Это Александр Николаевич Лодыгин, Павел Николаевич Яблочков и Томас Алва Эдисон.
Из какого материала необходимо изготовлять спирали для лампочек накаливания?
Спираль лампы должна выдерживать высокие температуры, значит нужно выбрать материал с высокой температурой плавления.
Наибольшей температурой плавления обладает вольфрам.
Какую лампу выбрать?
http://energia.3dn.ru/publ/ehkonomija_ehlektroehnergii/kakuju_lampu_vybrat_sravnivaem_svetodiodnuju_ljuminescentnuju_ehnergosberegajushh
Какую лампу выбрать?
10-15 Лм/Вт
1000 час
10 — 30 руб
60-80 Лм/Вт
15000 час
50 — 150 руб
100 -150 Лм/Вт
100000 час
50 — 150 руб
http://energia.
3dn.ru/publ/ehkonomija_ehlektroehnergii/kakuju_lampu_vybrat_sravnivaem_svetodiodnuju_ljuminescentnuju_ehnergosberegajushh
Вопросы
1. На что расходуется энергия направленного движения заряженных частиц в проводнике?
2. Чему равно количество теплоты, получаемое кристаллической решеткой проводника от направленно движущихся заряженных частиц?
3. Сформулируйте закон Джоуля—Ленца. Запишите его математическое выражение.
4. Дайте определение мощности электрического тока. Приведите формулу для расчета этой мощности.
5. Как зависит мощность, выделяемая в проводниках с током, от типа их соединения?
Вопросы
6. Почему спирали электронагревательных приборов делают из материала с большим удельным сопротивлением?
Задача
- Имеется два нагревателя 40 Ом и 50 Ом. Объяснить, при каком соединении проводников выделяется больше теплоты и почему. Напряжение в цепи 220 в, сила тока 6 А.
Напряжение в цепи 220 в, сила тока 6 А.- Изменится ли количество выделяемой теплоты, если сопротивление спирали уменьшить в 2 раза, а силу тока увеличить в 2 раз.
Домашнее задание
Учебник § 120,
- Какое количество теплоты выделяет за 5 с константановый проводник с R = 25 Ом, если сила тока в цепи 2 А?
- Какое количество теплоты выделит за 10 минут проволочная спираль сопротивлением 15 Ом , если сила тока в цепи 2 А. Сколько воды можно нагреть от 20 градусов Цельсия до кипения , если считать, что вся теплота, выделяемая спиралью пошла на нагревание воды (удельная теплоёмкость воды 4200 Дж/кг*К)?
http://fizika.in/baza-zadach/406-zadachakakoe-kolichestvo-teploty-vydelit-za-10-minut.html
500 Дж
Ускорители
Ускорители Для того чтобы исследовать свойства материи на расстояниях
меньше чем 10-12 см. необходимо иметь пучки ускоренных частиц,
энергия которых превышает десятки МэВ. Рождение новых частиц происходит в
результате преобразования кинетической энергии налетающей частицы в результате
взаимодействия с другой частицей. Чем больше масса частицы, которую необходимо
получить в столкновении, тем больше должна быть энергия сталкивающихся частиц. T = ZeV. В таких ускорителях частицы могут приобретать энергию до ~10 МэВ. Их
существенным преимуществом является непрерывность, высокая интенсивность и
высокая стабильность по энергии ускоренного пучка (~0.01%) . R = cp/300ZB. где cp — импульс частицы, умноженный на скорость света, измеряется в МэВ, B —
индукция магнитного поля, измеряется в Теслах, R — измеряется в метрах. Электроны высоких энергий получают в ускорителях двух типов
В 1944-45 годах
В. Векслер
и независимо от него Э. Таблица 1
В этих ускорителях ускоряемый пучок падает на неподвижную
мишень. Таблица 2
На ускорителе HERA (Германия) сталкиваются встречные пучки
электронов (позитронов) с энергией 30 ГэВ и протонов с энергией 820 ГэВ.
Протоны и ионы через накопительные кольца поступают в
протонный синхротрон PS (26 ГэВ), который инжектирует протоны в протонный
синхротрон SPS (450 ГэВ). Протоны из SPS будут поступать в LHC, где до недавнего
вреени ускорялись встречные пучки электронов и позитронов на установке LEP.
Пучок электронов одновременно доставляется в три экспериментальных зала А, В
и С. Пучок состоит из микросгустков разделенных приблизительно на 0.67 нс,
которые могут быть ускоренны до различных энергий проходя различное количество
оборотов в ускорителе. Таким образом, экспериментальные залы могут получать
пучок различными величинами энергии, кратными энергии получаемой за один оборот.
Кроме того, сгустки могут иметь различную плотность электронов, что дает
возможность доставлять в экспериментальные залы пучок с различными значениями
тока.
Планируется к 20 существующим криогенным ускорительным
модулям в каждом из ускорителей добавить по 5 криогенных модуля, что повысит
энергию ускоренных электронов до 12 ГэВ. Для исследований также используются вторичные пучки частиц, которые рождаются после взаимодействия первичного ускоренного пучка частиц с мишенью. Используя электромагнитные сепараторы и коллиматоры из огромного числа частиц образующихся на мишени можно выделить частицы определённого типа и определенного импульса. Так, в частности, могут быть получены вторичные пучки π- и K- мезонов. Вторичные пучки π-мезонов можно использовать для образования нейтринных пучков, которые получаются при распаде π-мезонов. π—μ— + μ, Чистый пучок нейтрино можно получить, фильтруя образующиеся частицы через
толстый поглотитель. Более подробно об ускорителях можно прочитать в разделе «Эксперимент». 15.12.13 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Порог реакции
Обычно
циклотроны используются для ускорения протонов и ионов. Предельная энергия для
протонов в циклотронах составляет ~20 МэВ при поле В ~ 2 Тесла и частоте
ускоряющего поля 30 МГц.
Макмиллан
открыли принцип автофазировки, что привело к появлению новых типов ускорителей —
синхротронов. Разработка метода сильной фокусировки позволило получать
уникальные по своим параметрам пучки (с малыми поперечными размерами, высокой
интенсивностью, большими энергиями).
Движение частицы синхронизировано
так, чтобы время прохождения от одного ускоряющего зазора до другого было кратно
периоду ускоряющего поля. Самый большой линейный ускоритель электронов построен
в Стэнфорде. Он имеет длину более 3 км. и ускоряет электроны до энергии 20 ГэВ.
Ускоритель SLAC является линейным ускорителем. В табл. 1
приведены типы ускоряемых частиц и энергии.
Однако по мере увеличения энергии налетающих частиц все большая часть
энергии пучка бесполезно расходуется на движение центра масс образующейся
системы. Если же сталкиваются между собой два пучка этого можно избежать, так
как при лобовом столкновении двух пучков частиц с одинаковыми массами и
одинаковыми энергиями центр масс будет оставаться неподвижным. Однако, чтобы при
этом сталкивающиеся пучки эффективно взаимодействовали, необходимо создать в
области столкновения высокую плотность частиц. Ускорители такого типа были
созданы и получили название ускорителей на встречных пучках или коллайдеров.
Первые электронные коллайдеры были построены в 1965 году в ИЯФ (Новосибирск) и
Стенфордской национальной лаборатории. В 1971 году был построен первый протонный
коллайдер, а в 1985 году — протон-антипротонный коллайдер. Основной недостаток
ускорителей на встречных пучках малая плотность сталкивающихся частиц по
сравнению с ускорителями с неподвижной мишенью. В табл. 2 приведены примеры
нескольких коллайдеров физики высоких энергий.
2е+×2.2e—
1е+×9e—
Для
повышения интенсивности сталкивающихся пучков используют накопительные кольца, в
которых ускоренные пучки перед столкновением накапливаются в течение сотен
циклов ускорения.
Ускоритель LEP был остановлен в 2000 г. на реконструкцию. После реконструкции в
ускорителе LHC, расположенном в том же туннеле, что и LEP, будут ускоряться
протоны 7х7 ТэВ. Инжектором протонов является линейный ускоритель Proton ion
linacs.
Ускорение в каждом из линейных ускорителей обеспечивается 40
ниобиевыми ускоряющими структурами разделенными на 8 криомодулей, охлаждаемых
жидким гелием. Ускоряющие структуры имеют минимальный градиент ускорения 5 МэВ
на метр и частоту 1.5 ГГц. На каждом круге электроны получают ускорение около
800 МэВ, что позволяет достичь максимальной энергии пучка 6 ГэВ после пяти
оборотов.
Из за отсутствия синхротронного излучения размывание энергии пучка очень
маленькое ΔЕ/Е ~ 10-4. Ускоритель позволяет получать любые величины тока пучка в
пределах от 100 нА до 100 мкА.
Список от А до Я
Посетите
Подать заявку
Подарить
- А
- Б
- С
- Д
- Е
- Ф
- Г
- Х
- я
- Дж
- К
- л
- М
- Н
- О
- Р
- В
- Р
- С
- Т
- У
- В
- Вт
- х
- Д
- З
- Меню страниц
Информация о погоде
Чтобы узнать об отмене и получить другую информацию о погоде, посетите веб-сайт с информацией о погоде.
Основные моменты
- Администрация
- Выпускники
- Книжный магазин
- Календари
- Справочник кампуса
- Кампусы
- Свяжитесь с нами
- Степени — Выпускник
- Степени — Бакалавриат
- Разнообразие, равенство и инклюзивность, Управление
- Электронная почта — Студент
- Электронная почта — Сотрудник
- Возможности трудоустройства
- Давать
- Библиотеки
- Новости
- Даты регистрации
- Стипендии
- Казначей, офис
A
- О UToledo
- Академический календарь
- Центр академического развития — Главный кампус
- Центр академического развития — Кампус медицинских наук
- Академическая жалоба
- Академические программы
- Академическая успеваемость
- Академический испытательный центр
- Центр академического тестирования — Центр творческого образования
- Доступность и ресурсы для людей с ограниченными возможностями, Office
- Кредиторская задолженность
- Аккредитация
- Администрация
- Прием
- Расширенное размещение
- Расширенная студия моделирования и игр
- Ассоциация выпускников
- Американская ассоциация университетских профессоров, UT
- Институт американского языка
- Линия для анонимных сообщений
- Подать заявку
- Новости из архива
- Районные центры санитарного просвещения
- Армейский ROTC
- Искусство и литература, Колледж
- востоковедение
- Легкая атлетика
B
- Классная доска
- Попечительский совет
- Книжный магазин
- Бурсар
- Бизнес и инновации, Колледж
- Услуги бизнес-инкубатора
- Бизнес-аналитика
C
- Календарь событий
- Справочник кампуса
- Полиция кампуса
- Посещений кампуса
- Canaday Center, Специальные коллекции
- Онкологический центр
- Услуги по трудоустройству
- Библиотека Карлсона
- Ресурсный центр Карвера
- Женский центр Кэтрин С. Эберли
- Сотовые телефоны
- Центр непрерывного медицинского образования
- Центр повышения квалификации медсестер
- Центр творческого обучения
- Центр неврологических расстройств
- Центр исследований и оценки сестринского дела
- Центр религиозного взаимопонимания
- Центр успешного старения
- Директор по информационным технологиям (CIO)
- Уход за детьми — Академия La Petite
- Классные услуги
- Центр клинических навыков, Хиллебранд Колледж
- — Педагогический колледж Джудит Херб
- Колледж искусств и литературы
- Колледж бизнеса и инноваций
- Инженерный колледж
Эберли- Колледж последипломного образования
- Колледж здравоохранения и социальных служб
- Юридический колледж
- Колледж медицины и наук о жизни
- Колледж естественных наук и математики
- Колледж медсестер
- Колледж фармации и фармацевтических наук
- Информация о начале работы
- Связь, отделение
- Коммуникации, офис
- Взаимодействие с общественностью
- Пригородные перевозки
- Конкурсные стипендии
- План соответствия
- Компьютерные лаборатории
- Непрерывное медицинское образование
- Основная учебная программа
- Коронавирус
- Стоимость посещения
- Стоимость обучения
- Консультационный центр
- Каталог курсов
- COVID-19: обеспечение безопасности кампуса
- Кредитный союз, Университет Толедо
- Уголовное правосудие
- КВА
D
- Декан факультета
- Обеденные услуги
- Направления/карты
- Инвалидность
- Услуги для инвалидов
- Дистанционное обучение
- Разнообразие, равенство и инклюзивность, Управление
- Отдел технологий и передовых решений
- Двойная регистрация
E
- Образование, Колледж Джудит Херб,
- Возможности трудоустройства
- Машиностроение, Колледж
- Управление зачислением
- Эксель
- Эксперты
- Поисковые исследования, кафедра
Ф
- Facebook, Юта
- Объекты
- Факультетские дела — HSC
- Сенат факультета
- ФАФСА
- Расписание выпускных экзаменов
- Финансовая помощь — HSC
- Финансовая помощь — главный кампус
- Гибкий график работы
- Программа Фулбрайта
G
- Отдача UToledo
- Связи с государственными органами
- Каталог выпускников
- Совет выпускников
- Высшие степени
- Ассоциация аспирантов
- Аспирантура, Колледж
- Греческие организации
H
- Здравоохранение и социальные службы, Колледж
- Медицинское страхование (студент)
- Кампус медицинских наук
- Справочная служба, ИТ
- Инициативы по работе со старшими школами
- Центр клинических навыков Хиллебранда
- График отпусков
- Колледж с отличием
- Жилье и общежития
- Отдел кадров, офис
I
- Информационные технологии, кафедра
- Институт азиатских исследований
- Институциональное разнообразие
- Институциональные исследования
- Институциональный контрольный совет (IRB)
- Инструментальный центр (искусства и науки)
- Межпрофессиональный иммерсивный симуляционный центр (IISC)
- Международный допуск
- Институт международного бизнеса
- Услуги для иностранных студентов
- Запрос на ИТ-услугу
L
- Лейк Эри Центр
- ЛаВэлли, Юридическая библиотека
- Право, Колледж
- Совместное обучение
- Центр повышения квалификации
- Образовательные предприятия
- Юридические вопросы, офис
- Юридические специальности
- Библиотеки
- Живущие и обучающиеся сообщества
M
- Почтовые службы
- Техническое обслуживание
- Специальности
- Карты
- Маркетинг и коммуникации, офис
- Планы питания
- Информация для СМИ
- Медицина и науки о жизни, Колледж
- Военная наука
- Центр военной службы
- Несовершеннолетние в кампусе
- Бизнес-инкубатор меньшинств
- Морс Фитнес-центр
- Библиотека Малфорда
- Успех мультикультурного студента
- майЮТ
N
- Национальная молодежная спортивная программа (NYSP)
- Естественные науки и математика, Колледж
- Не соискатель степени
- Сестринское дело, Колледж
О
- ОгайоЛинк
- Услуги за пределами кампуса
- Онлайн-программы на получение степени
- Онлайн пожертвования
- Ориентация, Запуск ракеты
- Ориентация, Ракетный переход
P
- Программа параюридического обучения
- Сайт родителей и семьи
- Парковка и транспортные услуги
- Оплата счетов онлайн
- Расчет заработной платы
- Фармация и фармацевтические науки, Колледж
- Аптека, поликлиника
- Тестирование размещения
- Полиция
- Политики
- Зачисление в высшие учебные заведения
- Президент, Офис
- Профессиональные степени
- Ассоциация профессионального персонала
- Программа 60
- Членство ПроМедика
- Защита несовершеннолетних в кампусе
- Провост, офис
- Психология, кафедра
- Снабжение, отдел
Q
- Программа квестов
Р
- База отдыха
- Переработка
- Регистратор, офис
- Исследования
- Исследовательские и спонсируемые программы
- Резиденция Жизнь
- Выход на пенсию
- Управление рисками
- Ракетная карта
- Ракетный экспресс
- Центр ракетных решений
- Ракетное оздоровление
- Ракетная беспроводная связь
- РОТК
S
- Безопасность и здоровье
- Расписание занятий
- Стипендии
- Высшее руководство
- Трансфер
- Программа социальной работы
- Спонсируемые программы и исследования
- Стратегический план регистрации
- Стратегический план
- Студенческие дела — HSC
- Студенческие дела — Главный кампус
- Поведение учащихся и общественные нормы
- Трудоустройство студентов
- Студенческое самоуправление
- Здоровье учащихся
- Студенческая страховка
- Студенческие юридические услуги
- Студенческие организации — HSC
- Студенческие организации — Главный кампус
- Студенческие записи и стенограммы
- Студенческие союзы
- Учеба за границей
- Отправить событие
- Программа коучинга успеха
- Управление цепочками поставок
- Устойчивое развитие в UToledo
T
- Тич Толедо
- Учебный центр, Университет
- Технология перспективных решений, подразделение
- Передача технологий
- Название IX
- Толедо, Огайо Достопримечательности
- Служба поддержки студентов TRIO
- Стенограммы
- Переведенные студенты
- Транзитные услуги
- Казначейство
- Обучение и сборы
- Репетиторские услуги
- Твиттер, Юта
V
- Посещение виртуального кампуса
- посещений, кампус
- Визуальная грамотность
- Волонтеры, UTMC
W
- Оперативная группа по водным ресурсам
- Погода
- Веб-разработка
- Веб-почта
- Беспроводной
- Компенсация работникам
- Письмо по учебной программе
- Центр письма
- WXUT
Y
- YouTube, UT
Последнее обновление: 30.
01.23
Ускоритель частиц | Определение, типы, история и факты
принципиальная схема линейного ускорителя протонного резонанса
Смотреть все СМИ
- Ключевые люди:
- Эрнест Томас Синтон Уолтон Джерард К. О’Нил Сэр Джон Дуглас Кокрофт Герш Ицкович Будкер
- Похожие темы:
- Большой адронный коллайдер накопительное кольцо встречных пучков линейный ускоритель циклический ускоритель импульсный ускоритель
Просмотреть весь связанный контент →
Резюме
Прочтите краткий обзор этой темы
ускоритель частиц , любое устройство, производящее пучок быстро движущихся электрически заряженных атомных или субатомных частиц. Физики используют ускорители для фундаментальных исследований строения ядер, природы ядерных сил и свойств ядер, не встречающихся в природе, таких как трансурановые элементы и другие нестабильные элементы.
Ускорители также используются для производства радиоизотопов, промышленной радиографии, лучевой терапии, стерилизации биологических материалов и некоторых видов радиоуглеродного датирования. Крупнейшие ускорители используются для исследования фундаментальных взаимодействий элементарных субатомных частиц.
В этой статье рассматривается развитие ускорителей и описываются различные типы и их отличительные особенности. Для получения конкретной информации о частицах, ускоряемых этими устройствами, см. атом и субатомная частица.
Принципы ускорения частиц
Ускорители частиц бывают разных форм и размеров (даже вездесущий телевизионный кинескоп в принципе является ускорителем частиц), но самые маленькие ускорители имеют общие элементы с более крупными устройствами. Во-первых, все ускорители должны иметь источник, генерирующий электрически заряженные частицы — электроны в случае телевизионной трубки и электроны, протоны и их античастицы в случае более крупных ускорителей.
Все ускорители должны иметь электрические поля для ускорения частиц и магнитные поля для управления траекториями частиц. Кроме того, частицы должны проходить через хороший вакуум, то есть в контейнере с как можно меньшим количеством остаточного воздуха, как в телевизионной трубке. Наконец, все ускорители должны иметь средства обнаружения, подсчета и измерения частиц после их ускорения в вакууме.
Генерирующие частицы
Электроны и протоны, частицы, наиболее часто используемые в ускорителях, встречаются во всех материалах, но для ускорителя необходимо выделить соответствующие частицы. Электроны обычно производятся точно так же, как в телевизионном кинескопе, в устройстве, известном как электронная «пушка». Пистолет содержит катод (отрицательный электрод) в вакууме, который нагревается так, что электроны отрываются от атомов в материале катода. Испускаемые электроны, имеющие отрицательный заряд, притягиваются к аноду (положительному электроду), где они проходят через отверстие.
Сама пушка по сути является простым ускорителем, потому что электроны движутся через электрическое поле, как описано ниже. Напряжение между катодом и анодом в электронной пушке обычно составляет 50 000–150 000 вольт или 50–150 киловольт (кВ).
Как и в случае с электронами, протоны есть во всех материалах, но только ядра атомов водорода состоят из одиночных протонов, поэтому газообразный водород является источником частиц для ускорителей протонов. В этом случае газ ионизируется — электроны и протоны разделяются в электрическом поле — и протоны улетучиваются через дырку. В больших ускорителях частиц высоких энергий протоны часто первоначально образуются в виде отрицательных ионов водорода. Это атомы водорода с лишним электроном, которые также образуются при ионизации газа, первоначально в виде молекул из двух атомов. С отрицательными ионами водорода легче обращаться на начальных этапах больших ускорителей. Позже их пропускают через тонкую фольгу, чтобы отделить электроны, прежде чем протоны перейдут на заключительную стадию ускорения.
Узнайте, как работают ускорители частиц
Посмотреть все видео к этой статьеКлючевой особенностью любого ускорителя частиц является ускоряющее электрическое поле. Простейшим примером является однородное статическое поле между положительным и отрицательным электрическими потенциалами (напряжениями), очень похожее на поле, существующее между клеммами электрической батареи. В таком поле электрон, несущий отрицательный заряд, чувствует силу, которая направляет его к положительному потенциалу (аналогично положительному полюсу батареи). Эта сила ускоряет электрон, и если ему ничто не мешает, его скорость и энергия будут увеличиваться. Электроны, движущиеся к положительному потенциалу по проводу или даже в воздухе, будут сталкиваться с атомами и терять энергию, но если электроны проходят через вакуум, они будут ускоряться при движении к положительному потенциалу.
Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас
Разница в электрическом потенциале между местом, где электрон начинает двигаться через поле, и местом, где он покидает поле, определяет энергию, которую приобретает электрон.
Энергия, которую электрон приобретает при прохождении через разность потенциалов в 1 вольт, известна как 1 электрон-вольт (эВ). Это крошечное количество энергии, эквивалентное 1,6 × 10 −19 джоулей. Энергия летающего комара примерно в триллион раз больше. Однако в телевизионной трубке электроны ускоряются более чем на 10 000 вольт, что придает им энергию выше 10 000 эВ, или 10 килоэлектронвольт (кэВ). Многие ускорители частиц достигают гораздо более высоких энергий, измеряемых мегаэлектронвольтами (МэВ, или миллионами эВ), гигаэлектронвольтами (ГэВ, или миллиардами эВ) или тераэлектронвольтами (ТэВ, или триллионами эВ).
Некоторые из самых ранних конструкций ускорителей частиц, такие как умножитель напряжения и генератор Ван де Граафа, использовали постоянные электрические поля, создаваемые потенциалами до миллиона вольт. Однако работать с такими высокими напряжениями непросто. Более практичной альтернативой является многократное использование более слабых электрических полей, создаваемых более низкими напряжениями.
Это принцип, используемый в двух общих категориях современных ускорителей частиц — линейных ускорителях (или линейных ускорителях) и циклических ускорителях (главным образом, циклотроне и синхротроне). В линейном ускорителе частицы проходят один раз через последовательность ускоряющих полей, тогда как в циклической машине они многократно направляются по круговой траектории через одни и те же относительно небольшие электрические поля. В обоих случаях конечная энергия частиц зависит от кумулятивного эффекта полей, так что множество маленьких «толчков» складываются вместе, чтобы дать объединенный эффект одного большого «толчка».
Повторяющаяся структура линейного ускорителя естественным образом предполагает использование переменного, а не постоянного напряжения для создания электрических полей. Например, положительно заряженная частица, ускоренная к отрицательному потенциалу, получит новый толчок, если потенциал станет положительным при прохождении частицы. На практике напряжения должны меняться очень быстро.
Например, при энергии 1 МэВ протон уже движется с очень высокой скоростью — 46 процентов скорости света — так что он преодолевает расстояние около 1,4 метра (4,6 фута) за 0,01 микросекунды. (Одна микросекунда — это миллионная доля секунды.) Это означает, что в повторяющейся структуре длиной в несколько метров электрические поля должны чередоваться — то есть менять направление — с частотой не менее 100 миллионов циклов в секунду, или 100 мегагерц ( МГц). Как линейные, так и циклические ускорители обычно ускоряют частицы, используя переменные электрические поля, присутствующие в электромагнитных волнах, обычно на частотах от 100 до 3000 МГц, то есть в диапазоне от радиоволн до микроволн.
Электромагнитная волна представляет собой комбинацию колеблющихся электрического и магнитного полей, вибрирующих под прямым углом друг к другу. Суть ускорителя частиц заключается в том, чтобы настроить волну таким образом, чтобы, когда частицы прибывают, электрическое поле было в направлении, необходимом для ускорения частиц.
Это можно сделать с помощью стоячей волны — комбинации волн, движущихся в противоположных направлениях в замкнутом пространстве, подобно звуковым волнам, вибрирующим в органной трубе. В качестве альтернативы, для очень быстро движущихся электронов, которые движутся очень близко к скорости света (другими словами, близко к скорости самой волны), для ускорения можно использовать бегущую волну.
Важным эффектом, проявляющимся при ускорении в переменном электрическом поле, является «фазовая стабильность». За один цикл своих колебаний переменное поле снова проходит от нуля через максимальное значение до нуля, а затем падает до минимума, прежде чем снова подняться до нуля. Это означает, что поле дважды проходит через значение, соответствующее ускорению, например, при подъеме и спаде максимума. Если частица, скорость которой увеличивается, прибывает слишком рано по мере увеличения поля, она не будет испытывать столь сильное поле, как должна, и поэтому не получит такого сильного толчка.
Однако когда он достигнет следующей области ускоряющих полей, он прибудет с опозданием и, таким образом, получит более сильное поле — другими словами, слишком большой толчок. Чистым эффектом будет фазовая стабильность, то есть частица будет оставаться в фазе с полем в каждой ускоряющей области. Другим эффектом будет группировка частиц во времени, так что они будут формировать последовательность сгустков, а не непрерывный пучок частиц.
Направляющие частицы
Магнитные поля также играют важную роль в ускорителях частиц, поскольку они могут изменять направление заряженных частиц. Это означает, что их можно использовать для «изгибания» пучков частиц по круговой траектории, чтобы они неоднократно проходили через одни и те же ускоряющие области. В простейшем случае заряженная частица, движущаяся в направлении, перпендикулярном направлению однородного магнитного поля, испытывает силу, перпендикулярную как к направлению частицы, так и к полю. Эффект этой силы состоит в том, чтобы заставить частицу двигаться по круговой траектории, перпендикулярной полю, пока она не покинет область действия магнитной силы или пока на нее не подействует другая сила.
Этот эффект проявляется в циклических ускорителях, таких как циклотроны и синхротроны. В циклотроне большой магнит используется для создания постоянного поля, в котором частицы движутся по спирали наружу по мере того, как они питаются энергией и, таким образом, ускоряются на каждом контуре. В синхротроне, напротив, частицы движутся по кольцу постоянного радиуса, а поле, создаваемое электромагнитами вокруг кольца, увеличивается по мере ускорения частиц. Магниты с такой «изгибающей» функцией — это диполи — магниты с двумя полюсами, северным и южным, имеющие С-образный профиль, так что пучок частиц может проходить между двумя полюсами.
Второй важной функцией электромагнитов в ускорителях частиц является фокусировка пучков частиц, чтобы они оставались как можно более узкими и интенсивными. Простейшей формой фокусирующего магнита является квадруполь, магнит, состоящий из четырех полюсов (два северных и два южных), расположенных друг напротив друга. Такое расположение толкает частицы к центру в одном направлении, но позволяет им распространяться в перпендикулярном направлении.
Таким образом, квадруполь, предназначенный для фокусировки луча по горизонтали, позволит лучу выйти из фокуса по вертикали. Чтобы обеспечить правильную фокусировку, квадрупольные магниты должны использоваться парами, причем каждый элемент должен иметь противоположный эффект. Более сложные магниты с большим числом полюсов — сексступоли и октуполи — также используются для более сложной фокусировки.
По мере увеличения энергии циркулирующих частиц увеличивается сила направляющего их магнитного поля, что удерживает частицы на одном и том же пути. «Импульс» частиц вводится в кольцо и ускоряется до нужной энергии, прежде чем он будет извлечен и доставлен в эксперименты. Экстракция обычно достигается с помощью «кикерных» магнитов, электромагнитов, которые включаются ровно на время, достаточное для того, чтобы «вытолкнуть» частицы из синхротронного кольца и вдоль линии пучка. Затем поля в дипольных магнитах уменьшаются, и машина готова принять следующий импульс частиц.
Сталкивающиеся частицы
Большинство ускорителей частиц, используемых в медицине и промышленности, производят пучок частиц для определенной цели, например, для лучевой терапии или ионной имплантации.
Это означает, что частицы используются один раз, а затем выбрасываются. В течение многих лет то же самое было верно для ускорителей, используемых в исследованиях физики элементарных частиц. Однако в 1970-х годах были разработаны кольца, в которых два пучка частиц циркулируют в противоположных направлениях и сталкиваются на каждом контуре машины. Основное преимущество таких машин состоит в том, что при лобовом столкновении двух лучей энергия частиц переходит непосредственно в энергию взаимодействия между ними. Это контрастирует с тем, что происходит, когда энергетический луч сталкивается с покоящимся материалом: в этом случае большая часть энергии теряется при приведении в движение материала мишени в соответствии с принципом сохранения импульса.
Некоторые машины со встречными лучами были построены с двумя кольцами, которые пересекаются в двух или более местах, при этом лучи одного типа циркулируют в противоположных направлениях. Еще более распространенными были коллайдеры частиц-античастиц.
Античастица имеет электрический заряд, противоположный связанной с ней частице. Например, антиэлектрон (или позитрон) имеет положительный заряд, а электрон — отрицательный. Это означает, что электрическое поле, ускоряющее электрон, будет замедлять позитрон, движущийся в том же направлении, что и электрон. Но если позитрон движется через поле в противоположном направлении, он почувствует противоположную силу и ускорится. Точно так же электрон, движущийся в магнитном поле, будет отклоняться в одном направлении, скажем, влево, а позитрон, движущийся в том же направлении, будет отклоняться в противоположном направлении — вправо. Однако если позитрон движется через магнитное поле в направлении, противоположном направлению движения электрона, его траектория все равно будет изгибаться вправо, но по той же кривой, по которой движется электрон, изгибающийся влево. В совокупности эти эффекты означают, что антиэлектрон может перемещаться по синхротронному кольцу, направляемый теми же магнитами и ускоряемый теми же электрическими полями, которые воздействуют на электрон, движущийся в противоположном направлении.
Многие из самых мощных машин со встречными пучками были коллайдерами частиц-античастиц, поскольку требуется только одно кольцо ускорителя.
Как указывалось выше, пучок в синхротроне не является непрерывным потоком частиц, а сгруппирован в «пучки». Сгусток может иметь длину несколько сантиметров и ширину в одну десятую миллиметра, и он может содержать около 10 12 частиц — фактические числа зависят от конкретной машины. Однако это не очень плотно; нормальное вещество подобных размеров содержит около 10 23 атомов. Таким образом, когда пучки частиц — или, точнее, сгустки частиц — пересекаются в машине со встречными пучками, вероятность того, что две частицы будут взаимодействовать, очень мала. На практике сгустки могут продолжаться по кольцу и снова пересекаться. Чтобы сделать возможным это многократное пересечение лучей, вакуум в кольцах машин со встречными лучами должен быть особенно хорошим, чтобы частицы могли циркулировать в течение многих часов, не теряясь из-за столкновений с остаточными молекулами воздуха.
Поэтому кольца также называют накопительными кольцами, поскольку пучки частиц фактически хранятся в них в течение нескольких часов.
Обнаружение частиц
В большинстве случаев использования лучей от ускорителей частиц требуется какой-либо способ обнаружения того, что происходит, когда частицы сталкиваются с целью или другим пучком частиц, движущимся в противоположном направлении. В телевизионном кинескопе электроны, выпущенные из электронной пушки, ударяются о специальные люминофоры на внутренней поверхности экрана, которые излучают свет, воссоздающий тем самым телевизионное изображение. В случае с ускорителями частиц специализированные детекторы аналогичным образом реагируют на рассеянные частицы, но эти детекторы обычно предназначены для создания электрических сигналов, которые могут быть преобразованы в компьютерные данные и проанализированы компьютерными программами. Только электрически заряженные частицы создают электрические сигналы при движении через материал — например, возбуждая или ионизируя атомы — и могут быть обнаружены напрямую.
Нейтральные частицы, такие как нейтроны или фотоны, должны обнаруживаться косвенно по поведению заряженных частиц, которые они сами приводят в движение.
Существует множество детекторов частиц, многие из которых наиболее полезны в определенных обстоятельствах. Некоторые, такие как знакомый счетчик Гейгера, просто считают частицы, тогда как другие используются, например, для записи треков заряженных частиц или для измерения скорости частицы или количества энергии, которую она несет. Современные детекторы различаются по размеру и технологии: от небольших устройств с зарядовой связью (ПЗС) до больших газонаполненных камер, пронизанных проводами, которые улавливают ионизированные следы, создаваемые заряженными частицами.
История
Большинство разработок ускорителей частиц было мотивировано исследованиями свойств атомных ядер и субатомных частиц. Начиная с открытия британским физиком Эрнестом Резерфордом в 1919 году реакции между ядром азота и альфа-частицами, все исследования в области ядерной физики до 1932 года проводились с альфа-частицами, высвобождаемыми при распаде естественно радиоактивных элементов.
Естественные альфа-частицы имеют кинетическую энергию до 8 МэВ, но Резерфорд считал, что для наблюдения распада более тяжелых ядер альфа-частицами необходимо искусственно ускорить ионы альфа-частиц до еще более высоких энергий. В то время казалось мало надежды на создание лабораторных напряжений, достаточных для ускорения ионов до желаемых энергий. Однако расчет, сделанный в 1928 Джорджа Гамова (тогда он работал в Геттингенском университете, Германия) показал, что могут быть полезны значительно менее энергичные ионы, и это стимулировало попытки построить ускоритель, который мог бы обеспечить пучок частиц, подходящий для ядерных исследований.
Другие разработки того периода продемонстрировали принципы, которые до сих пор используются при разработке ускорителей частиц. Первые успешные эксперименты с искусственно ускоренными ионами были проведены в Англии в Кембриджском университете Джоном Дугласом Кокрофтом и Э.Т.С. Уолтон в 19 лет32. Используя умножитель напряжения, они ускорили протоны до энергий до 710 кэВ и показали, что они реагируют с ядром лития с образованием двух энергичных альфа-частиц.
К 1931 году в Принстонском университете в Нью-Джерси Роберт Дж. Ван де Грааф сконструировал первый электростатический генератор высокого напряжения с ременной зарядкой. Умножители напряжения типа Кокрофта-Уолтона и генераторы Ван де Граафа до сих пор используются в качестве источников питания для ускорителей.
Принцип линейного резонансного ускорителя был продемонстрирован Рольфом Видероэ в 1928. В Рейнско-Вестфальском техническом университете в Аахене, Германия, Видероэ использовал переменное высокое напряжение для ускорения ионов натрия и калия до энергий, в два раза превышающих те, которые сообщаются при одном приложении пикового напряжения. В 1931 году в Соединенных Штатах Эрнест О. Лоуренс и его помощник Дэвид Х. Слоан из Калифорнийского университета в Беркли использовали высокочастотные поля для ускорения ионов ртути до энергии более 1,2 МэВ. Эта работа расширила достижения Видероэ в ускорении тяжелых ионов, но ионные пучки не пригодились в ядерных исследованиях.
Ускоритель магнитного резонанса, или циклотрон, был задуман Лоуренсом как модификация ускорителя линейного резонанса Видероэ.
Ученик Лоуренса М.С. Ливингстон продемонстрировал принцип циклотрона в 1931 году, производя ионы с энергией 80 кэВ; в 1932 г. Лоуренс и Ливингстон объявили об ускорении протонов более чем до 1 МэВ. Позже, в 1930-х годах, циклотронные энергии достигли около 25 МэВ, а генераторы Ван де Граафа — около 4 МэВ. В 1940 году Дональд У. Керст, применив результаты тщательных расчетов орбиты к конструкции магнитов, сконструировал первый бетатрон, магнитоиндукционный ускоритель электронов, в Университете Иллинойса.
После Второй мировой войны наука об ускорении частиц до высоких энергий быстро продвинулась вперед. Прогресс был инициирован Эдвином Маттисоном Макмилланом в Беркли и Владимиром Иосифовичем Векслером в Москве. В 1945 году оба мужчины независимо друг от друга описали принцип фазовой стабильности. Эта концепция предлагала средства поддержания стабильных орбит частиц в циклическом ускорителе и, таким образом, снимала очевидное ограничение на энергию резонансных ускорителей для протонов ( см.
ниже 9).0810 Cyclotrons: Classical cyclotrons) и сделал возможным строительство ускорителей магнитного резонанса (называемых синхротронами) для электронов. Фазовая фокусировка, реализация принципа фазовой стабильности, была быстро продемонстрирована созданием небольшого синхроциклотрона в Калифорнийском университете и электронного синхротрона в Англии. Вскоре после этого был построен первый протонный линейный резонансный ускоритель. Все большие протонные синхротроны, построенные с тех пор, основаны на этом принципе.
В 1947 году Уильям У. Хансен из Стэнфордского университета в Калифорнии сконструировал первый линейный ускоритель электронов на бегущей волне, используя микроволновую технологию, которая была разработана для радаров во время Второй мировой войны.
Прогресс в исследованиях, ставший возможным благодаря повышению энергии протонов, привел к созданию все более мощных ускорителей; эта тенденция была прекращена только из-за затрат на изготовление необходимых огромных магнитных колец — самое большое весит примерно 40 000 тонн.
