TREŚĆ:
Informacja do zadań 2.3-2.6
Silnik magnetohydrodynamiczny (MHD) wykorzystuje oddziaływanie pola magnetycznego z płynem przewodzącym prąd elektryczny, np. z wodnym roztworem soli. Niewielki taki silnik (nadający się do napędu łódki-zabawki) można zbudować z dwóch silnych magnesów, dwóch miedzianych płytek i źródła prądu. Przedstawiony obok silnik zanurzono w słonej wodzie. Pole magnetyczne działające na jony powoduje odchylenie ich toru i wprawienie w ruch wody wypełniającej wnętrze silnika, a w konsekwencji wystąpienie siły reakcji – siły napędowej.

Dane są wymiary zaznaczone na rysunku: , i .
Zadanie 2.3
Podkreśl poprawne uzupełnienia poniższego zdania.
Siła napędowa działa wzdłuż osi ( / / ), ze zwrotem (zgodnym z tą osią / przeciwnym do tej osi).
ROZWIĄZANIE:
Uzasadnienie:
Naszym zadaniem jest podkreślenie uzupełnień zdania tak, aby zdanie było poprawne. Zgodnie z informacjami podanymi do zadań 2.3-2.6 odczytujemy, że pod wpływem działania pola magnetycznego tor ruchu jonów jest zakrzywiany. Oznacza to, że działa na nie siła magnetyczna zwana również siłą Lorentza. Z poprzedniego zadania wiemy, że na każdy poruszający się ładunek w polu magnetycznym działa siła Lorentza. W rozważanej przez nas sytuacji poruszającymi się ładunkami są jony sodu oraz jony chloru . Jednak jony te muszą się poruszać, aby mogła na nich działać siła Lorentza (siła magnetyczna).
Wektory prędkości jonów
Z rysunku przedstawionego w informacji do zadań 2.3-2.6 widzimy, że wzdłuż osi są ustawione płytki przyłączone do biegunów źródła prądu, a zgodnie z zadaniem wiemy, że pod wpływem działania pola elektrycznego, znajdującego się między płytkami, jony sodu i chloru będą się poruszać (zyskają energię kinetyczną). Wynika z tego, że wektory prędkości jonów są skierowane wzdłuż osi , a dokładniej:
- wektor prędkości jonu sodu , czyli ładunku dodatniego, jest skierowany zgodnie ze zwrotem osi ,
- wektor prędkości jonu chloru , czyli ładunku ujemnego, jest skierowany przeciwnie do zwrotu osi .
Siła Lorentza
Możemy posłużyć się teraz rysunkiem przedstawionym w zadaniu przyjmując, że oś zwrócona jest za płaszczyznę, oś zwrócona w lewo na płaszczyźnie a oś zwrócona w górę na płaszczyźnie, czyli tak jakbyśmy patrzyli na rysunek w informacji do zadań 2.3-2.6 od strony bieguna dodatniego.

Linie pola magnetycznego, tak jak w zadaniu , są od bieguna N do bieguna S.

Widzimy, że mamy analogiczną sytuację jak w zadaniu . Korzystamy więc z reguły prawej ręki (dla ładunku dodatniego, lub reguły lewej dłoni) oraz reguły lewej ręki (dla ładunku ujemnego, lub reguły prawej dłoni) i określamy zwrot wektorów sił, które działają na jony. Zauważmy, że wektory tych sił mają ten sam zwrot (w prawo) oraz tę samą wartość

Wynika więc z tego, że wektor siły Lorentza , który powoduje zakrzywienie toru ruchu jonów, skierowany jest przeciwnie do osi . Tor ruchu zarówno jonów dodatnich jak i ujemnych będzie odchylany przeciwnie do zwrotu osi - strumień jonów będzie wyrzucany wzdłuż osi w przeciwnym kierunku niż zwrot tej osi. Zgodnie z opisem w informacji do zadań 2.3-2.6 wiemy, że w konsekwencji odchylenia toru ruchu oraz wprawienia w ruch wody występuje siła reakcji, tzw. siła napędowa. Skoro więc na jony działa siła Lorentza, a rzeczywisty ruch wody, który wynika z siły reakcji (siły napędowej) zgodnie z trzecią zasadą dynamiki Newtona, to oznacza, że silnik zyskuje siłę napędową, która ma zwrot przeciwny do siły Lorentza - zgodny z osią .
Odpowiedź:
Siła napędowa działa wzdłuż osi / / , ze zwrotem zgodnym z tą osią / przeciwnym do tej osi.
Mateusz Bajda
Nauczyciel fizyki
Tutaj pojawi się lista Twoich książek
Zaloguj się i zacznij tworzyć ją już teraz.

