洛伦兹力演示仪

玄 阳，韩烁冲，苑帅康，葛大勇

(河北大学 物理科学与技术学院，河北 保定 071002)

运动电荷在磁场中所受到的力称为洛伦兹力,即磁场对运动电荷的作用力. 传统洛仑兹力演示仪器主要有2类：1)洛伦兹力投影式演示仪,即电离溶液受洛伦兹力而产生转动. 演示时,电离溶液受到洛伦兹力产生转动,需要放置小型漂浮物(如碎纸片)才能观察到液体的旋转. 在演示过程中,由于溶液腐蚀,电极需要定期清理或更换,比较繁琐. 2)玻璃泡式洛伦兹力演示仪. 该类仪器通过加速电子移动并在磁场中产生绕转，电离稀有气体来显示路径,以达到演示目的. 该设备相对较复杂，体积较大,且演示操作不方便[1-2]. 本文设计了喷泉洛伦兹力演示仪,演示仪结构简单,易于维护,效果明显直观,具有很强的趣味性.

1 仪器设计

图1为喷泉式演示仪实物图，以室温下的CuSO4和NaSO4饱和溶液为导电溶液,在外加水平的电场和垂直的磁场作用下形成带电离子的定向移动的洛伦兹力,从而使液体向上运动[3-4]，原理示意如图2所示.

图1 喷泉式演示仪实物图

喷泉式演示仪结构图如图3所示，选用石墨为惰性电极,在电解CuSO4的过程中,不会受到腐蚀,当用较长时间后,调转石墨电极的正负极,改变磁场方向,即可使得电解析出的Cu单质再回到溶液中,可循环使用,避免更换电极.

图2 喷泉式演示仪原理示意图

图3 喷泉式演示仪结构图

2 实验操作

常温下配制CuSO4和NaSO4饱和溶液,倒入液箱中,使其达到所标刻度处. 接通电源打开演示仪开关,可观察到饱和溶液经电场电解后，在竖直方向的磁场作用下，形成喷泉.

3 实验结果及分析

演示仪采用36 V/16.6 A电源供电,常温下的CuSO4和NaSO4饱和溶液不需精确配置,溶液所在管道磁场强度接近匀强磁场(异名磁极相对,且距离较近,理论上和场强处近似相等),磁感应强度可达0. 6 T,在中间无磁体部分为0. 4 T，两电极极板间距和磁极间距均为0. 01 m,溶液通电后,内部电流经测量为10～15 A. 根据F=I·L×B计算得到安培力大小为0.075 N,溶液的密度为1.2×103kg/m3,经过计算理论上能将液体抬升0.06 m左右,实际能抬升0.05 m[5-7]. 经过分析得出,在洛伦兹力的作用下,并不是全部的洛伦兹力都能够提供使溶液上升的力,由于两电极板存在一定的距离,离子在洛伦兹力的作用下会产生近似外螺旋上升的运动轨迹,这使得离子给水分子的沿着竖直方向上的力有一部分会因为速度方向的偏转而损失. 此外,当附加具有观赏性的小型喷泉喷头时,能够达到很好的演示效果,也能够更好地实现趣味性.

4 结束语

本文设计了喷泉洛伦兹力演示仪器演示了洛伦兹力的奇妙作用,具有较好演示效果,同时克服了其他洛伦兹力演示仪器的不足. 演示仪器展示了洛伦兹力如何变为推进动力，展示了如将理论知识应用到实际，激发了学生的学习兴趣.