Опыт эрстеда. магнитное поле тока. взаимодействие магнитов. действие магнитного поля на проводник с током

Телеграф

Именно Амперу пришла идея о том, что, скомбинировав проводники и магнитные стрелки, можно создать устройство, которое предает информацию на расстояние.

Рис. 6. Электрический телеграф

Идея телеграфа (рис. 6) возникла в первые же месяцы после открытия электромагнетизма.

Однако широкое распространение электромагнитный телеграф приобрел после того, как Самюэль Морзе создал более удобный аппарат и, главное, разработал двоичную азбуку, состоящую из точек и тире, которая так и называется: азбука Морзе.

С передающего телеграфного аппарата с помощью «ключа Морзе», который замыкает электрическую цепь, в линии связи формируются короткие или длинные электрические сигналы, соответствующие точкам или тире азбуки Морзе. На приемном телеграфном аппарате (пишущий прибор) на время прохождения сигнала (электрического тока) электромагнит притягивает якорь, с которым жестко связано пишущее металлическое колесико или писец, которые оставляют чернильный след на бумажной ленте (рис. 7).

Рис. 7. Схема работы телеграфа

Основные формулы для вычисления вектора МИ

Вектор магнитной индукции, формула которого B = Fm/I*∆L, можно находить, применяя другие математические вычисления.

Закон Био-Савара-Лапласа

Закон полного тока

Описывает правила нахождения B→ магнитного поля, которое создаёт постоянный электроток. Это экспериментально установленная закономерность. Био и Савар в 1820 году выявили её на практике, Лапласу удалось сформулировать. Этот закон является основополагающим в магнитостатике. При практическом опыте рассматривался неподвижный провод с малым сечением, через который пропускали электроток. Для изучения выбирался малый участок провода, который характеризовался вектором dl. Его модуль соответствовал длине рассматриваемого участка, а направление совпадало с направлением тока.

Интересно. Лаплас Пьер Симон предложил считать током даже движение одного электрона и на этом утверждении, с помощью данного закона, доказал возможность определения МП продвигающегося точечного заряда.

Согласно этому физическому правилу, каждый сегмент dl проводника, по которому протекает электрический ток I, образовывает в пространстве вокруг себя на промежутке r и под углом α магнитное поле dB

dB = µ0 *I*dl*sin α /4*π*r2,

где

• dB – магнитная индукция, Тл;
• µ0 = 4 π*10-7 – магнитная постоянная, Гн/м;
• I – сила тока, А;
• dl – отрезок проводника, м;
• r – расстояние до точки нахождения магнитной индукции, м;
• α – угол, образованный r и вектором dl.

Важно! Согласно закону Био-Савара-Лапласа, суммируя векторы магнитных полей отдельных секторов, можно определить МП нужного тока. Оно будет равно векторной сумме

Закон Био-Савара-Лапласа

Существуют формулы, описывающие этот закон для отдельных случаев МП:

• поля прямого перемещения электронов;
• поля кругового движения заряженных частиц.

Формула для МП первого типа имеет вид:

В = µ* µ0*2*I/4*π*r.

Для кругового движения она выглядит так:

В = µ*µ0*I/4*π*r.

В этих формулах µ – это магнитная проницаемость среды (относительная).

Рассматриваемый закон вытекает из уравнений Максвелла. Максвелл вывел два уравнения для МП, случай, где электрическое поле постоянно, как раз рассматривают Био и Савар.

Принцип суперпозиции

Для МП существует принцип, согласно которому общий вектор магнитной индукции в определённой точке равен векторной сумме всех векторов МИ, созданных разными токами в данной точке:

B→= B1→+ B2→+ B3→… + Bn→

Принцип суперпозиции

Теорема о циркуляции

Изначально в 1826 году Андре Ампер сформулировал данную теорему. Он разобрал случай с постоянными электрическими полями, его теорема применима к магнитостатике. Теорема гласит: циркуляция МП постоянного электричества по любому контуру соразмерна сумме сил всех токов, которые пронизывают этот контур.

Стоит знать! Тридцать пять лет спустя Д. Максвелл обобщил это утверждение, проведя параллели с гидродинамикой.

Другое название теоремы – закон Ампера, описывающий циркуляцию МП.

Математически теорема записывается следующим образом.

Математическая формула теоремы о циркуляции

где:

• B→– вектор магнитной индукции;
• j→ – плотность движения электронов.

Это интегральная форма записи теоремы. Здесь в левой части интегрируют по некоторому замкнутому контуру, в правой части – по натянутой поверхности на полученный контур.

Магнитный поток

Одна из физических величин, характеризующих уровень МП, пересекающего любую поверхность, – магнитный поток. Обозначается буквой φ и имеет единицу измерения вебер (Вб). Эта единица характерна для системы СИ. В СГС магнитный поток измеряется в максвеллах (Мкс):

108 Мкс = 1 Вб.

Магнитный поток φ определяет величину МП, пронизывающую определённую поверхность. Поток φ зависит от угла, под которым поле пронизывает поверхность, и силы поля.

Формула для расчёта имеет вид:

φ = |B*S| = B*S*cosα,

где

• В – скалярная величина градиента магнитной индукции;
• S – площадь пересекаемой поверхности;
• α – угол, образованный потоком Ф и перпендикуляром к поверхности (нормалью).

Внимание! Поток Ф будет наибольшим, когда B→ совпадёт с нормалью по направлению (угол α = 00). Аналогично Ф = 0, когда он проходит параллельно нормали (угол α = 900)

Магнитный поток

Вектор магнитной индукции, или магнитная индукция, указывает направление поля. Применяя простые методы: правило буравчика, свободно ориентирующуюся магнитную стрелку или контур с током в магнитном поле, можно определить направление действия этого поля.

Проверка гипотезы Лоренца – принцип работы электронно-лучевой трубки

Открытие катодных лучей, а также радиоактивности позволили проверить экспериментально гипотезу Лоренца. Воспользуемся электронно-лучевой трубкой (рис. 5)

Рис. 5. Электронно-лучевая трубкой

В вакуумной трубке размещены две пластины: анод и катод. На катод подаётся отрицательный потенциал, на анод – положительный. Для того чтобы в трубке возникли свободные электроны, катод нагревается нитью накала. Свободные электроны металлического катода вблизи его поверхности могут покидать эту поверхность, обладая высокой кинетической энергией за счёт нагревания – явление термоэлектронной эмиссии. Свободные электроны, покинувшие поверхность катода, попадают в зону действия электрического поля между анодом и катодом. Линии напряжённости этого поля направлены от анода к катоду. Электроны, будучи отрицательно заряженными частицами, движутся от катода к аноду – против линии напряжённости поля. Так в трубке возникает электрический ток, направленный от анода к катоду. Если использовать анод, покрытый специальным материалом, который светится при попадании на него заряжённых частиц, можно пронаблюдать место попадания электронов по световому пятну. Именно так и работает электронно-лучевая трубка. При подаче напряжения на анод и катод мы видим небольшое зелёное пятно на аноде – это место бомбардировки экрана электронами.

вихревые токи

Электрические проводники, движущиеся через постоянное магнитное поле, или неподвижные проводники в изменяющемся магнитном поле, будут иметь круговые токи, индуцируемые внутри них за счет индукции, называемые вихревыми токами . Вихревые токи протекают по замкнутым контурам в плоскостях, перпендикулярных магнитному полю. Они находят полезное применение в вихретоковых тормозах и системах индукционного нагрева. Однако вихревые токи, индуцируемые в металлических магнитных сердечниках трансформаторов, а также двигателей и генераторов переменного тока, нежелательны, поскольку они рассеивают энергию (называемую потерями в сердечнике ) в виде тепла в сопротивлении металла. В сердечниках этих устройств используется ряд методов уменьшения вихревых токов:

• Ядра низкой частоты переменного тока электромагниты и трансформаторы, вместо того чтобы быть твердым металлом, часто изготавливаются из стопок металлических листов, называемых слоистые , разделенных непроводящих покрытий. Эти тонкие пластины уменьшают нежелательные паразитные вихревые токи, как описано ниже.
• Катушки индуктивности и трансформаторы, используемые на более высоких частотах, часто имеют магнитные сердечники, сделанные из непроводящих магнитных материалов, таких как феррит или железный порошок, скрепленные связующим из смолы.

Электромагнитные ламинаты

Вихревые токи возникают, когда твердая металлическая масса вращается в магнитном поле, потому что внешняя часть металла прорезает больше магнитных силовых линий, чем внутренняя часть; следовательно, индуцированная электродвижущая сила неоднородна; это имеет тенденцию вызывать электрические токи между точками наибольшего и наименьшего потенциала. Вихревые токи потребляют значительное количество энергии и часто вызывают опасное повышение температуры.

В этом примере показаны только пять пластин или пластин, чтобы показать подразделение вихревых токов. На практике количество наслоений или перфораций составляет от 40 до 66 на дюйм (от 16 до 26 на сантиметр), что снижает потери на вихревые токи примерно до одного процента. Хотя пластины можно разделить изоляцией, напряжение настолько низкое, что естественного ржавого / оксидного покрытия пластин достаточно для предотвращения протекания тока через ламинаты.

Это ротор диаметром примерно 20 мм от двигателя постоянного тока, используемого в проигрывателе компакт-дисков

Обратите внимание на многослойность полюсных наконечников электромагнита, используемых для ограничения паразитных индуктивных потерь.

Паразитная индукция внутри проводников

На этом рисунке сплошной медный стержневой провод на вращающемся якоре как раз проходит под наконечником полюсного наконечника N полевого магнита

Обратите внимание на неравномерное распределение силовых линий по медному стержню. Магнитное поле более сконцентрировано и, следовательно, сильнее на левом крае медного стержня (a, b), в то время как поле слабее на правом крае (c, d)

Поскольку два края стержня движутся с одинаковой скоростью, эта разница в напряженности поля на стержне создает завитки или текущие водовороты внутри медного стержня.

Сильноточные устройства промышленной частоты, такие как электродвигатели, генераторы и трансформаторы, используют несколько параллельных проводов небольшого диаметра, чтобы разбивать вихревые потоки, которые могут образовываться в крупных сплошных проводниках. Тот же принцип применяется к трансформаторам, используемым на частоте выше мощности, например, тем, которые используются в импульсных источниках питания и трансформаторах связи промежуточной частоты радиоприемников.

Описание

Магнитный поток через поверхность — когда магнитное поле является переменным — зависит от разделения поверхности на мелкие элементы поверхности, над которыми магнитное поле можно считать локально постоянным. В таком случае полный поток представляет собой формальное суммирование этих элементов поверхности (см. Интегрирование поверхностей ).

Каждая точка на поверхности связана с направлением, называемым нормалью к поверхности ; магнитный поток, проходящий через точку, является тогда составляющей магнитного поля вдоль этого направления.

Магнитное взаимодействие описывается в терминах векторного поля , где каждая точка в пространстве связана с вектором, который определяет, какую силу движущийся заряд будет испытывать в этой точке (см. Силу Лоренца ). Так как векторное поле поначалу довольно сложно визуализировать, в элементарной физике можно вместо этого визуализировать это поле с помощью линий поля

Магнитный поток через некоторую поверхность на этом упрощенном изображении пропорционален количеству силовых линий, проходящих через эту поверхность (в некоторых контекстах, магнитный поток может быть определен как точное количество силовых линий, проходящих через эту поверхность; хотя технически это вводит в заблуждение , это различие не важно). Магнитный поток — это чистое количество силовых линий, проходящих через эту поверхность; то есть число, проходящее в одном направлении, минус число, проходящее в другом направлении (см. ниже, чтобы решить, в каком направлении силовые линии имеют положительный знак, а в каком — отрицательный)

В более продвинутой физике аналогия с силовыми линиями опускается, и магнитный поток правильно определяется как поверхностный интеграл нормальной составляющей магнитного поля, проходящего через поверхность. Если магнитное поле постоянно, магнитный поток, проходящий через поверхность с векторной площадью S, равен

ниже, чтобы решить, в каком направлении силовые линии имеют положительный знак, а в каком — отрицательный). В более продвинутой физике аналогия с силовыми линиями опускается, и магнитный поток правильно определяется как поверхностный интеграл нормальной составляющей магнитного поля, проходящего через поверхность. Если магнитное поле постоянно, магнитный поток, проходящий через поверхность с векторной площадью S, равен

ΦBзнак равноB⋅Sзнак равноBSпотому что⁡θ,{\ Displaystyle \ Phi _ {B} = \ mathbf {B} \ cdot \ mathbf {S} = BS \ cos \ theta,}

где B — величина магнитного поля (плотность магнитного потока), имеющая единицу измерения Вт / м 2 ( тесла ), S — площадь поверхности, а θ — угол между силовыми линиями магнитного поля и нормалью (перпендикулярно ) к S . Для переменного магнитного поля сначала рассмотрим магнитный поток через элемент бесконечно малой площади d S , где мы можем считать поле постоянным:

dΦBзнак равноB⋅dS.{\ displaystyle d \ Phi _ {B} = \ mathbf {B} \ cdot d \ mathbf {S}.}

Затем обычную поверхность S можно разбить на бесконечно малые элементы, и тогда полный магнитный поток через поверхность представляет собой поверхностный интеграл

ΦBзнак равно∬SB⋅dS.{\ displaystyle \ Phi _ {B} = \ iint \ limits _ {S} \ mathbf {B} \ cdot d \ mathbf {S}.}

Из определения магнитного векторного потенциала A и фундаментальной теоремы о роторе магнитный поток можно также определить как:

ΦBзнак равно∮∂S⁡А⋅dℓ,{\ Displaystyle \ Phi _ {B} = \ oint \ limits _ {\ partial S} \ mathbf {A} \ cdot d {\ boldsymbol {\ ell}},}

где криволинейный интеграл берется по границе поверхности S , обозначаемое ∂ S .

Опыты с осциллографом

Если воспользоваться осциллографом (рис.6), то будет показано не световое пятно, а светящаяся линия. Когда одним из полюсов подводят к горизонтальной линии, находящейся на осциллографе – она отклоняется от своего первоначального значения в направлении перпендикулярном направлению скорости и направлению линий магнитного поля, поскольку магнитное поле направлено от северного полюса к южному. Это на качественном уровне подтверждает гипотезу.

Попытаемся получить не только качественные, но и количественные результаты. Для этого будем проверять зависимость силы действующей со стороны магнитного поля от различных факторов. В частности от скорости движения электронов. Каким образом можно поменять скорость движения электронов в осциллографе? При помощи регулировки яркости линии на осциллографе можно изменить скорость движения электронов в осциллографе. Чем ярче линия – тем быстрее движется электроны внутри трубки. Если поднести магнит к осциллографу северным полюсом и менять скорость движения электронов – то по мере уменьшения яркости – искажение лини также будет уменьшаться. Это означает, что сила, действующая со стороны магнитного поля на электроны, при уменьшении скорости электронов тоже уменьшается. Более точные измерения дадут нам прямую пропорциональность между силой, действующей со стороны магнитного поля на движущиеся заряды и скоростью этих зарядов. Сила, действующая на заряды со стороны магнитного поля, пропорциональна индукции – если поднести несколько магнитов к осциллографу, то искажение будет гораздо сильнее. Величина силы действующей со стороны магнитного поля на движущийся заряд зависит от взаимного направления вектора магнитной индукции и вектора скорости движения частиц – при поднесении магнитов к осциллографу южным полюсом – линия будет искажаться в противоположном направлении.

Рис. 6. Осциллограф

Электромагниты

В 1269 г. французский естествоиспытатель Пьер де Марикур написал труд под названием «Письмо о магните». Основной целью Пьера де Марикура было создание вечного двигателя, в котором он собирался использовать удивительные свойства магнитов. Насколько успешными были его попытки, неизвестно, но достоверно то, что Якоби использовал свой электродвигатель для того, чтобы привести в движение лодку, при этом ему удалось ее разогнать до скорости 4,5 км/ч.

Необходимо упомянуть еще об одном устройстве, работающем на основе законов Ампера. Ампер показал, что катушка с током ведет себя подобно постоянному магниту. Это значит, что можно сконструировать электромагнит

– устройство, мощность которого можно регулировать (рис. 5).

Рис. 5. Электромагнит

3.20. Магнетики. Вещества в магнитном поле

Вещества, способные намагничиваться и влиять на направление вектора магнитной индукции внешнего поля B, называются магнетиками.

Способность намагничиваться — создание собственного магнитного поля в веществе, которое или усиливает, или уменьшает внешнее магнитное поле.

Собственные магнитные свойства вещества определяются электронами, связанными с атомами. Строение атома подразумевает наличие электрона e, вращающегося вокруг ядра. Магнитный момент электрона , то есть каждая орбита электрона в атоме обладает собственным магнитным моментом и создает собственное магнитное поле. В целом в веществе суммарные магнитные моменты электронов в атоме расположены хаотично и их сумма зачастую равна нулю.

Под действием внешнего магнитного поля собственные магнитные поля, созданные электронами, упорядочиваются. Это и есть явление намагниченности. Оно может сохраняться после снятия магнитного поля, а может и исчезать. У ферромагнетиков оно сохраняется, а у диа и парамагнетиков исчезает.

В результате поле равно: , где каппа — магнитная восприимчивость, которая определяется внешним воздействием, а и — магнитные моменты электронных орбит.

; — магнитная проницаемость.

.

Для разных веществ значение может принимать как положительные, так и отрицательные значения. В большинстве веществ собственные магнитные моменты атомов (молекул) не зависят друг от друга и хаотично расположены в пространстве. Если к такому веществу приложить внешнее поле, то собственный магнитный момент каждого атома стремится, как волчок, выровнять положение оси вращения вдоль силовых линий внешнего поля.

B_вне — индукция внешнего магнитного поля, Pm- собственный магнитный момент атома.

Изменение собственной оси вращения (собственного магнитного момента) относительно вектора магнитной индукции (внешнего поля) называется прецессией.

Собственный механический момент или количество движения Ls (спин)

Механические моменты электронов в атоме могут отличаться только направлением движения по орбите (вдоль и против часовой стрелки).

1. Если внешнее магнитное поле затрачивает энергию на прецессию, то её результирующее магнитное поле ослабляется. Такие вещества называют диа–магнетиками: .
2. В некоторых веществах внешнее магнитное поле не затрачивает энергию на прецессию, а разворачивает весь атом так, чтобы его собственное магнитное поле совпадало с внешним магнитным полем. Эти вещества -парамагнетики. Для них .

Парамагнетики

Стрелками укажем магнитные моменты отдельных атомов.

Ферромагнетики.

Для объяснения ферромагнетизма вводим понятие доменов. Домен — совокупность атомов с одинаковым направлением собственных магнитных полей. Подобные совокупности атомов требуют меньше энергии для образования доменов, т.е. энергетически более выгодны по сравнению с разрозненными атомами. В целом собственное магнитное поле вещества равно нулю. Под действием внешнего магнитного поля домены могут увеличиваться за счет других доменов вплоть до поглощения неориентированных доменов, то есть все пространство вещества заполняется доменами, ориентированными вдоль поля. При снятии внешнего поля обратной переориентации не происходит, так как это энергетически не выгодно. В этом случае магнитная восприимчивость составляет тысячи и десятки тысяч единиц. Оказывается, реакция вещества на воздействие внешнего магнитного поля носит нелинейный характер. Это определяется способностью собственных магнитных моментов переориентироваться во внешнем магнитном поле. Сначала идёт резкое изменение ориентации во внешнем магнитном поле, магнитные моменты ориентируются вдоль силовых линий магнитного поля. Дальнейшее увеличение магнитного поля не изменяет намагниченность, так как все магнитные моменты уже ориентированы вдоль поля. Зависимость результирующего магнитного поля в веществе в целом в зависимости от внешнего поля носит характер гистерезиса.

B₁ — остаточная индукция. H₁ — коэрцетивная сила.

B₁ — в веществе остается собственное магнитное поле без внешнего магнитного поля H₁ = 0, (так создаются постоянные магниты).

H₁ — внешнее поле, необходимое для снятия собственной намагниченности, B₁=0. Эта величина называется коэрцетивная сила.

Анализ петли гистерезиса см. в разделе “Сегнетоэлектрики”. Если коэрцетивная сила велика, то говорят, что ферромагнетик жёсткий, если мала — то мягкий.

Правило Буравчика

Расположим рядом с проводником несколько магнитных стрелок и пустим в проводнике ток — стрелки сориентируются в магнитном поле проводника (рис. 3.1, а). Северный полюс каждой стрелки укажет направление вектора индукции магнитного поля в данной точке, а значит, и направление магнитных линий этого поля.

С изменением направления тока в проводнике изменится и ориентация магнитных стрелок (рис. 3.1, б). Это означает, что направление магнитных линий зависит от направления тока в проводнике.

Рис. 3.1. Определение направления линий магнитной индукции магнитного поля проводника с током с помощью магнитных стрелок

Определять направление линий магнитной индукции с помощью магнитной стрелки не всегда удобно, поэтому используют правило буравчика:

Если вкручивать буравчик по направлению тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика укажет направление магнитных линий магнитного поля тока (рис. 3.2, а);

или иначе:

Если направить большой палец правой руки по направлению тока в проводнике, то четыре согнутых пальца укажут направление магнитных линий магнитного поля тока (рис. 3.2, б).

Рис. 3.2. Определение направления линий магнитного поля проводника с током с помощью правила буравчика

От чего зависит модуль индукции магнитного поля проводника с током

Вспомните: магнитное действие проводника с током первым обнаружил X. Эрстед в 1820 г. А вот почему это открытие не было сделано раньше? Дело в том, что с увеличением расстояния от проводника магнитная индукция созданного им поля быстро уменьшается. Поэтому, если магнитная стрелка расположена не вблизи проводника с током, магнитное действие тока почти незаметно.

Рис. 3.3. Линии магнитной индукции магнитного поля прямого проводника с током. Проводник расположен перпендикулярно плоскости рисунка; крестик означает, что сила тока в проводнике направлена от нас

Магнитная индукция зависит также от силы тока: с увеличением силы тока в проводнике магнитная индукция созданного им магнитного поля увеличивается.

Магнитное поле катушки с током

Свернем изолированный провод в катушку и пустим по проводу ток. Если теперь вокруг катушки разместить магнитные стрелки, то к одному торцу катушки стрелки повернутся северным полюсом, а к другому — южным (рис. 3.4). Это означает, что около катушки с током существует магнитное поле.

Рис. 3.4. Исследование магнитного поля катушки с током с помощью магнитных стрелок

Как и полосовой магнит, катушка с током имеет два полюса — южный и северный. Полюсы катушки расположены на ее торцах, и их легко определить с помощью правой руки:

Если четыре согнутых пальца правой руки направить по направлению тока в катушке, то отогнутый на 90° большой палец укажет направление на северный полюс катушки, то есть направление вектора магнитной индукции внутри катушки (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Определение полюсов катушки с током с помощью правой руки

Сравнив магнитные линии постоянного полосового магнита и катушки с током, увидим, что они очень похожи (рис. 3.6). Заметим: магнитная стрелка, подвешенная катушка с током и подвешенный полосовой магнит ориентируются в магнитном поле Земли одинаково.

Подводим итоги:

Около проводника с током существует магнитное поле. Магнитная индукция поля, созданного током, уменьшается с увеличением расстояния от проводника и увеличивается с увеличением силы тока в проводнике.

Направление линий магнитной индукции магнитного поля проводника с током можно определить с помощью магнитных стрелок или правила буравчика.

Катушка с током, как и постоянный магнит, имеет два полюса. Их можно определить с помощью правой руки: если четыре согнутых пальца правой руки направить по направлению тока в катушке, то отогнутый на 90° большой палец укажет направление на ее северный полюс.

Рекомендую подробно изучить предметы:

Физика Атомная физика Ядерная физика Квантовая физика Молекулярная физика

Ещё лекции с примерами решения и объяснением:

• Шунт и добавочное сопротивление
• Электродвижущая сила
• Электрические измерительные приборы
• Электрическое поле Земли
• Закон Ома для цепи переменного тока с последовательным соединением сопротивлений
• Сила и закон Ампера
• Закон взаимодействия прямолинейных параллельных проводников с током
• Сила Лоренца

Магнитная стрелка

Зачастую для изучения магнитного действия тока используют магнитную стрелку (рисунок 2).

Рисунок 2. Магнитная стрелка

• Она имеет два полюса: северный (обозначается буквой $N$, окрашен в синий цвет) и южный (обозначается буквой $S$, окрашен в красный цвет)
• Также у нее имеется ось — линия, соединяющая полюсы

Такая стрелка является основной частью любого компаса.

{"questions":,"answer":}}}]}

В ходе опытов магнитную стрелку обычно помещают на острие (конец иглы или булавки). Так она сможет свободно поворачиваться в горизонтальной плоскости (рисунок 3).

Рисунок 3. Использование магнитной стрелки

Сила Лоренца

Сила Лоренца – сила, действующая на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля.

Формула для нахождения силы Лоренца:

где ​ ( q ) ​ – заряд частицы, ​ ( v ) ​ – скорость частицы, ​ ( B ) ​ – модуль вектора магнитной индукции, ​ ( alpha ) ​ – угол между вектором скорости частицы и вектором магнитной индукции.

Направление силы Лоренца определяют по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции ​ ( B_perp ) ​ входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление скорости положительно заряженной частицы, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Лоренца.

Если заряд частицы отрицательный, то направление силы изменяется на противоположное.

Важно! Если вектор скорости сонаправлен с вектором магнитной индукции, то частица движется равномерно и прямолинейно. В однородном магнитном поле сила Лоренца искривляет траекторию движения частицы

В однородном магнитном поле сила Лоренца искривляет траекторию движения частицы.

Если вектор скорости перпендикулярен вектору магнитной индукции, то частица движется по окружности, радиус которой равен:

где ​ ( m ) ​ – масса частицы, ​ ( v ) ​ – скорость частицы, ​ ( B ) ​ – модуль вектора магнитной индукции, ​ ( q ) ​ – заряд частицы.

В этом случае сила Лоренца играет роль центростремительной и ее работа равна нулю. Период (частота) обращения частицы не зависит от радиуса окружности и скорости частицы. Формула для вычисления периода обращения частицы:

Угловая скорость движения заряженной частицы:

Важно! Сила Лоренца не меняет кинетическую энергию частицы и модуль ее скорости. Под действием силы Лоренца изменяется направление скорости частицы

Если вектор скорости направлен под углом ​ ( alpha ) ​ (0° ( alpha ) ( vec_2 ) ​, параллелен вектору ( vec ) , а другой, ( vec_1 ) , – перпендикулярен ему. Вектор ( vec_1 ) не меняется ни по модулю, ни по направлению. Вектор ( vec_2 ) меняется по направлению. Сила Лоренца будет сообщать движущейся частице ускорение, перпендикулярное вектору скорости ( vec_1 ) . Частица будет двигаться по окружности. Период обращения частицы по окружности – ​ ( T ) ​.

Таким образом, на равномерное движение вдоль линии индукции будет накладываться движение по окружности в плоскости, перпендикулярной вектору ( vec ) . Частица движется по винтовой линии с шагом ​ ( h=v_2T ) ​.

Важно! Если частица движется в электрическом и магнитном полях, то полная сила Лоренца равна:

Особенности движения заряженной частицы в магнитном поле используются в масс-спектрометрах – устройствах для измерения масс заряженных частиц; ускорителях частиц; для термоизоляции плазмы в установках «Токамак».

Алгоритм решения задач о действии магнитного (и электрического) поля на заряженные частицы:

• сделать чертеж, указать на нем силовые линии магнитного (и электрического) поля, нарисовать вектор начальной скорости частицы и отметить знак ее заряда;
• изобразить силы, действующие на заряженную частицу;
• определить вид траектории частицы;
• разложить силы, действующие на заряженную частицу, вдоль направления магнитного поля и по направлению, ему перпендикулярному;
• составить основное уравнение динамики материальной точки по каждому из направлений разложения сил;
• выразить силы через величины, от которых они зависят;
• решить полученную систему уравнений относительно неизвестной величины;
• решение проверить.