Сила Лоренца – формула, величина, примеры кратко определение и как определить направление
4.7
Средняя оценка: 4.7
Всего получено оценок: 268.
Обновлено 18 Декабря, 2020
4.7
Средняя оценка: 4.7
Всего получено оценок: 268.
Обновлено 18 Декабря, 2020
На проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера. Однако магнитное поле способно взаимодействовать и с отдельными электрическими зарядами. Рассмотрим кратко эту тему, узнаем, как определить направление и величину силы, действующей на заряд в магнитном поле.
Взаимодействие магнитного поля с зарядами
Опыты показывают, что магнитное поле никак не влияет на покоящийся электрический заряд. Почему же магнитное поле взаимодействует с проводником с электрическим током, который представляет собой движущиеся электрические заряды ?
Причина в движении зарядов. Магнитное поле не взаимодействует с зарядом, пока его скорость в этом поле равна нулю. Однако, как только заряд начинает двигаться, сразу же возникает сила, направленная перпендикулярно вектору скорости заряда.
Это приводит к интересному результату. Из механики известно, что если материальная точка движется под действием силы, направленной перпендикулярно вектору скорости, то ее траектория представляет собой окружность. Именно это и происходит с движущимися заряженными частицами в однородном магнитном поле. Заряженные частицы под действием магнитного поля движутся по окружностям.
Рис. 1. Движение заряженной частицы в магнитном поле.Сила Лоренца
Сила, которая возникает при движении заряда в магнитном поле, называется силой Лоренца. Именно силы Лоренца, действующие на отдельные заряды в проводнике, приводят к появлению общей силы Ампера. Поэтому формулу силы Лоренца можно получить из закона Ампера.
$$F_A= IB Δl sin \alpha$$
Величина тока, идущая в проводнике, прямо пропорциональна величине заряда носителей $q$, их концентрации $n$, скорости их движения $v$ и площади поперечного сечения проводника $S$:
$$I = qnvS$$
Подставляя это выражение в предыдущую формулу, получим:
$$ F_A = qnvSBΔl sin \alpha$$
Сила Ампера действует на проводник в результате сложения сил Лоренца, действующих на каждый из зарядов в проводнике.
То есть для получения силы Лоренца, действующей на отдельный носитель, надо величину силы Ампера поделить на число носителей. Число носителей $N$ равно произведению концентрации носителей на объем проводника:
$$N=nSΔl$$
Следовательно, сила Лоренца равна:
$$F_L = {F_A \over N}= qvB sin \alpha$$
Как и в случае силы Ампера, угол $\alpha $ — это угол между направлением движения носителя заряда (вектором скорости) и вектором магнитной индукции.
Направление силы Лоренца определяется точно так же, как и направление силы Ампера: с помощью мнемонического правила левой руки. Если расположить левую руку так, чтобы четыре пальца были направлены по направлению движения положительного заряда (против направления для отрицательного), а перпендикулярная составляющая индукции $B_{\perp}$ входила в ладонь, то большой палец покажет направление силы Лоренца.
Получается, что сила Лоренца всегда направлена перпендикулярно движению заряженной частицы.
А это значит, что сила Лоренца не совершает работу и, следовательно, не меняет кинетическую энергию частицы. Она меняет лишь направление ее движения.
Примером использования силы Лоренца является отклоняющая система кинескопов. Отклоняющие системы в телевизорах с кинескопами представляют собой электрические катушки, создающие меняющееся магнитное поле. Под действием этого поля на электроны, вылетающие из электронной пушки, начинает действовать сила Лоренца, они отклоняются и направляются в нужную в данный момент точку экрана.
Что мы узнали?
Сила Лоренца — это сила, действующая со стороны магнитного поля на движущийся электрический заряд. Сила Лоренца направлена перпендикулярно скорости движения частицы, и для определения этого направления используется правило левой руки. В однородном магнитном поле траектории заряженных частиц, движущихся под действием силы Лоренца, представляют собой окружности.
Тест по теме
Доска почёта
Чтобы попасть сюда — пройдите тест.
Пока никого нет. Будьте первым!
Оценка доклада
4.7
Средняя оценка: 4.7
Всего получено оценок: 268.
А какая ваша оценка?
Что такое сила Лоренца, каковы величина и направление этой силы: простое объяснение понятия
Теория и расчеты
Автор: profelectro
Во время изучения школьного курса физики все мы сталкиваемся с таким понятием, как сила Лоренца. Она является основополагающей в понятии электромагнитного поля и взаимодействия частиц.
Наряду с Ампера и законом Кулона она широко используется специалистами в электротехнике.
Рассмотрим подробнее, что же она из себя представляет.
Определение
Согласно школьной физике, движение электрически заряженных частичек по проводнику провоцирует появление поля магнитной природы.
Если провести эксперимент и поместить посредника электрического тока в магнитное поле и, при этом, двигать его в разные стороны, то можно наблюдать зарождение электродвижущей силы электромагнитной индукции.
ЭДС указывает на параметры и работу сторонних сил, которые проявляют активность в цепях разного типа тока. Согласно теории, Ампера действует на посредника, который помещают в поле магнитного типа и по которому проходит электрический ток.
Ампера вычисляется по известной формуле.
Рассмотрим все компоненты формулы.
- I – сила протекающего тока.
- l– длина посредника.
- В – модуль вектора электроиндукции, созданной полем магнитного типа.
- α – угол, который создают вектор индукции и сампосредник.
Что касается Лоренца, то формула для ее вычисления напоминает приведенную выше. Отличие состоит в характере воздействия.
Так, Лоренца воздействует непосредственно на элемент с имеющимся зарядом, которая производит движение в поле магнитного типа.
В нее входят следующие элементы.
- В – модуль вектора электрической индукции.
- q– величина заряда.
- v – скорость, с которой движется заряд.
- α – угол,созданный вектором электрической индукции и частицей.
На основании вышесказанного делаем вывод, что сила Лоренца показывает воздействие поля магнитного характера на элемент с зарядом. При этом она не характеризует изменения в скорости движения.
Как видно из формулы, сила Лоренца не совершает работу во время воздействия на частицы. Это означает, что изменения идут в направлении движения, а не в величине скорости.
Проанализировав формулу, модно увидеть, что единицами измерения силы Лоренца являются Ньютоны.
Направление лоренцевой силы
Как известно, определить в какую сторону направлена сила Ампера можно, применив простое правило левой руки. Аналогичным образом можно понять, куда направлена Лоренца.
Суть правила состоит в том, чтобы раскрытую ладонь левой руки разместить определенным образом.
Так, линии индукции должны входить в нее, а четыре пальца будут показывать направление движения векторной составной скорости. Тогда большой палец левой руки, находящийся под прямым углом к раскрытой ладони и будет показывать направление силы Лоренца.
Если необходимо определить сторону, в которую движется сила с учетом заряда, то стоит быть внимательным. Выше описанное правило работает при положительном заряде.
Если же иметь дело с отрицательной частицей, то оно немного меняет вид. Так, вектор индукции должен входить не в ладонь, а в тыльную сторону руки. Таким образом, направление Лоренца будет обратным к аналогичному с положительным зарядом.
Выше были описаны основные понятия и теория. Так каково же реальное воздействие силы на частицы с имеющимся зарядом? Рассмотрим пример.
Пускай мы имеет частицу, знак заряда которой положительный. Она совершает движение в перпендикулярной к линиям индукции плоскости. Тогда, согласно правилу левой руки, частица будет двигаться к центру.
Использование
Наиболее масштабно Лоренца проявляет себя в отношении нашей планеты. Ярким примером такового воздействия является северное сияние.
Так, Земля представляет собой магнит большого размера. В результате находящиеся на северном полюсе частицы движутся по спиралевидным орбитам.
В следствии ускоренного движения, частицы сталкиваются с присутствующими атомами в верхних слоях атмосферы.
В результате таких столкновений наблюдается северное сияние.
В результате таких столкновений наблюдается северное сияние.Что касается более бытового применения, то примеры приведены ниже.
- Электронно-лучевые трубки широко известны благодаря наличию в старых моделях телевизоров. Кроме этого, они широко использовались в мониторах осциллографа.
- Генераторы и двигатели соединяют в себе работу двух основополагающих сил – Ампера и Лоренца.
- В ускорителях частиц с наличием заряда, Лоренца помогает задать им направление движения и форму орбиты.
Подведем итоги
Таким образом, можно подытожить полученные знания в нескольких тезисах.
- Лоренца представляет собой воздействие на частицы с имеющимся зарядом во время совершения движения в поле магнитного характера.
- Согласно формуле, Лоренца прямо пропорциональна скорости, с которой двигаются частицы и вектору электромагнитной индукции.
- Важно помнить, что сила не влияет на величину скорости, она способна влиять на направление движения.
Лоренца, по большей части, используется для изучения частиц в электромагнитных полях в специализированных лабораториях. При научных экспериментах нельзя забывать о ее влиянии или упускать ее из виду.
сила Лоренца | Уравнение, свойства и направление
- Связанные темы:
- магнитное поле
Просмотреть все связанные материалы →
Сила Лоренца , сила, действующая на заряженную частицу q , движущуюся со скоростью v через электрическое поле E и магнитное поле 4 3 Вся электромагнитная сила F on the charged particle is called the Lorentz force (after the Dutch physicist Hendrik A.
Lorentz) and is given by F = q E + q v × Б .
В первый член вносит вклад электрическое поле. Второй член представляет собой магнитную силу и имеет направление, перпендикулярное как скорости, так и магнитному полю. Магнитная сила пропорциональна q и величине векторного векторного произведения v × B . В терминах угла ϕ между v и B модуль силы равен q v B sin ϕ. Интересным следствием действия силы Лоренца является движение заряженной частицы в однородном магнитном поле. Если v перпендикулярно B (т. е. угол ϕ между v и B 90°), частица будет двигаться по круговой траектории с радиусом r = м v / q Если угол ϕ меньше 90°, орбита частицы будет представлять собой спираль с осью, параллельной силовым линиям.
Если ϕ равно нулю, на частицу не будет действовать магнитная сила, и она будет продолжать двигаться, не отклоняясь, вдоль силовых линий. Ускорители заряженных частиц, такие как циклотроны, используют тот факт, что частицы движутся по круговой орбите, когда v и B расположены под прямым углом. Для каждого оборота тщательно синхронизированное электрическое поле придает частицам дополнительную кинетическую энергию, которая заставляет их двигаться по все более крупным орбитам. Когда частицы приобретают желаемую энергию, их извлекают и используют различными способами, от изучения субатомных частиц до лечения рака.
Магнитная сила, действующая на движущийся заряд, определяет знак носителей заряда в проводнике. Ток, текущий справа налево в проводнике, может быть результатом движения положительных носителей заряда справа налево или отрицательных зарядов, движущихся слева направо, или их комбинации. Когда проводник помещается в B поле перпендикулярно току, магнитная сила на обоих типах носителей заряда имеет одинаковое направление.
Эта сила вызывает небольшую разность потенциалов между сторонами проводника. Это явление, известное как эффект Холла (открытое американским физиком Эдвином Х. Холлом), возникает, когда электрическое поле совпадает с направлением магнитной силы. Эффект Холла показывает, что электроны доминируют в проводимости электричества в меди. Однако в цинке преобладает проводимость за счет движения положительных носителей заряда. Электроны в цинке, возбужденные из валентной зоны, оставляют дырки, которые представляют собой вакансии (то есть незаполненные уровни), которые ведут себя как носители положительного заряда. Движение этих отверстий объясняет большую часть проводимости электричества в цинке.
Если провод с током i поместить во внешнее магнитное поле B , как сила, действующая на провод, будет зависеть от ориентации провода? Поскольку ток представляет собой движение зарядов в проводе, сила Лоренца действует на движущиеся заряды. Поскольку эти заряды связаны с проводником, магнитные силы движущихся зарядов передаются на провод.
Сила на небольшой длине d l проволоки зависит от ориентации проволоки относительно поля. Величина силы равна I D LB SIN ϕ, где ϕ — угол между B и D L . Сила отсутствует, когда ϕ = 0 или 180°, оба из которых соответствуют току в направлении, параллельном полю. Сила максимальна, когда ток и поле перпендикулярны друг другу. Сила определяется как d F = i d l × Б .
Опять же векторное векторное произведение обозначает направление, перпендикулярное обоим d l и B .
Редакторы Британской энциклопедии Эта статья была недавно отредактирована и дополнена Эриком Грегерсеном.
Магнитные силы
Магнитные силыМагнитное поле B определяется по закону силы Лоренца, и конкретно от магнитной силы на движущийся заряд: Значение этого выражения включает: 1. 2. Величина силы равна F = qvB sinθ, где θ — угол 3. Направление силы определяется правилом правой руки. Приведенное выше соотношение сил представлено в виде векторного произведения. Когда отношение магнитной силы применяется к проводнику с током, можно использовать правило правой руки для определения направления силы на проводе. Из приведенного выше соотношения сил можно сделать вывод, что единицами измерения магнитного поля являются ньютон-секунды/(кулон-метр) или ньютоны на ампер-метр. Эта единица называется Тесла. Это большая единица, а меньшая единица Гаусс используется для небольших полей, таких как магнитное поле Земли. Тесла — это 10 000 Гс. Магнитное поле Земли на поверхности составляет порядка половины гаусса.
| Индекс Электромагнитная сила Концепции магнитного поля | ||||||||||
|
Сила перпендикулярна как скорости v заряда q, так и
магнитное поле Б.
