Направление силы ампера и силы лоренца: Сила Ампера и сила Лоренца – формулы и определение правила правой руки кратко (9 класс) — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Сила ампера, сила лоренца.

За это задание вы можете получить 1 балл на ЕГЭ в 2020 году

Задание 13 ЕГЭ по физике посвящено всем процессам, в которых участвует электрическое и магнитное поле. Это один из самых обширных вопросов по количеству охватываемых учебных тем. Так, учащемуся может попасться тема «Закон Кулона, напряженность и потенциал электрического поля», и он будет находить разность потенциалов между точками поля, силу взаимодействия между телами или напряжение, приложенное к концам проводника.

Тема задания 13 ЕГЭ по физике может касаться также магнитного потока и подразумевать вычисление модуля вектора индукции магнитного поля или его направление. Часть вопросов посвящена вычислению силы Ампера и силы Лоренца.

Задание № 13 ЕГЭ по физике подразумевает краткий ответ на свой вопрос. При этом часть вариантов требует записи числового значения величины (с округлением до нужных долей, если ответом является десятичная дробь), а в части ученику придется выбирать из четырех предложенных ответов один, который он считает правильным.

Так как время прохождения всего испытания ограничено определенным числом минут, то и на тринадцатом вопросе надолго останавливаться не стоит. Если он вызывает сложности, лучше оставить его на самый конец экзаменационного времени.

Задание №13 ЕГЭ по физике проверяет знание по теме «Электромагнетизм». В задачах данного типа необходимо решить задачи, связанные с электрическим или магнитным полем.

Теория к заданию №13 ЕГЭ по физике

Электрический заряд

Величина, которая определяет силу электромагнитного действия и связывает силу его с расстоянием между действующими друг на друга телами, называется электростатическим зарядом, который характеризует способность тела – носителя заряда — создавать электромагнитное поле около себя, а также испытывать на себе воздействие внешних полей.

Заряды бывают разных знаков. Международной системой принято считать заряд электрона отрицательным, а притягивающий этот заряд – положительным.

Напряженность электростатического поля является векторной величиной, направленной от положительного заряда к отрицательному. Это силовая характеристика электрического поля.

Закон Ампера

Закон Ампера гласит о взаимодействии токов: в параллельно расположенных проводниках токи, текущие в разных направлениях, отталкиваются один другого. Если же токи направлены в одну сторону, проводники притягиваются.

Разбор типовых вариантов заданий №13 ЕГЭ по физике

Демонстрационный вариант 2018

Отрицательный заряд -q находится в поле двух неподвижных зарядов: положительного +Q и отрицательного -Q (смотри рисунок). Куда направлено относительно рисунка (вправо, влево, вверх, вниз, к наблюдателю, от наблюдателя) ускорение заряда -q в этот момент времени, если на него действуют только заряды +Q и -Q ? Ответ запишите словом (словами).

Алгоритм решения:

Проводим анализ рисунка, приложенного к задаче.

Делаем вывод о направлении взаимодействия зарядов.
Определяем направление ускорения.
Записываем ответ.

Решение:

1. Из 2-го з-на Ньютона следует, что направление ускорения физ.тела в любом случае совпадает с направлением вектора равнодействующей силы. Поэтому, узнав направление равнодействующей силы, получим ответ на вопрос задачи.

На рисунке изображены три заряда, причем вверху (1) и внизу (2) расположены заряды разных знаков, а слева – заряд, одноименный с верхним:

2. Равнодействующая сил будет равной: 𝐹⃗=𝐹⃗ 1 +𝐹⃗ 2 , где векторы F 1 и F 2 – силы, действующие на заряд q со стороны зарядов 1 и 2 соответственно.

Известно, что заряды, имеющие одинаковые знаки, отталкиваются, а заряды противоположных знаков притягиваются. Изображаем силы взаимодействия между зарядами:

3. Векторная сумма сил F1 F2 находится по правилу параллелограмма. При этом следует иметь в виду, что величины сил (длины векторов) будут одинаковыми, поскольку заряды –Q и +Q равны по модулю. Это означает, что векторы направлены симметрично относительно вертикальной оси, как бы зеркально отражаясь. А их результирующая, следовательно, направлена вертикально вниз, т.е. вдоль оси симметрии.

Ответ: вниз

Первый вариант задания (Демидова, №1)

В трёх вершинах ромба расположены точечные заряды +q, -2q и +q (q > 0). Куда направлена относительно рисунка (вверх, вниз, влево, вправо, от наблюдателя, к наблюдателю) кулоновская сила F, действующая на отрицательный точечный заряд -Q, помещённый в центр этого ромба (см. рисунок)? Ответ запишите словом (словами).

Алгоритм решения:

Анализируем приложенный к задаче рисунок. Определяем силы, которые действуют на заряд –Q .
Изображаем силы и находим равнодействующую.
Записываем ответ.

Решение:

1. На рисунке показано, какие заряды имеют одинаковые знаки, а какие разные. Слева и справа от заряда –Q расположены заряды положительного знака

(+q) , которые притягивают заряд –Q, причем с одинаковой силой. А вверху располагается заряд, одноименный с помещенным в центр ромба.

Этот заряд отталкивает –Q .

2. Изобразим все силы, которые действуют на заряд:

Поскольку модули зарядов +q одинаковы, силы двух зарядов, расположенных на горизонтальной прямой (взаимодействие –Q с +q), равны между собой, но противоположны по направлению. Это означает, что результирующая этих двух сил равна 0. Отсюда следует, что равнодействующая всех сил совпадает с направлением третьей силы – силы взаимодействия –Q и –2q. Это направление – вертикально вниз, т.е. вдоль вертикали меньшей диагонали ромба.

Ответ: вниз

Второй вариант задания (Демидова, №7)

В вершинах равнобедренного треугольника расположены точечные заряды -2q, +q > 0 и -2q (см. рисунок). Куда направлен относительно рисунка (вверх, вниз, влево, вправо, от наблюдателя, к наблюдателю) вектор напряженности результирующего электростатического поля в точке О пересечения медиан треугольника?

Алгоритм решения:

Рассматриваем приложенный к задаче рисунок,
Делаем вывод относительно направления векторов напряженности, создаваемой каждым зарядом в точке О.
Определяем, куда направлена суперпозиция напряженностей.
Записываем ответ.

Решение:

1. Изображенный на рисунке треугольник равнобедренный. O – точка, одинаково удаленная от вершин основания, поскольку это точка пересечения медиан. В вершинах основания помещены одинаковые заряды -2q.

2. Вектор напряженности имеет начало у положительного заряда и направлен к отрицательным (красные стрелки):

Поскольку заряды –2q одинаковы по модулю, то величина векторов Е одинакова. Это означает, что их результирующая (синяя стрелка) равноудалена от каждого из них, т.е. будет иметь направление в правую сторону по линии медианы, проведенной к основанию, а это – направление вправо по горизонтали.

Ответ: вправо

Третий вариант задания (Демидова, №25)

Как направлена (вверх, вниз, влево, вправо, от наблюдателя, к наблюдателю) сила Ампера, действующая на проводник № 3 со стороны двух других (см. рисунок)? Все проводники прямые, тонкие, длинные, лежат в одной плоскости и параллельны друг другу. Сила тока I во всех проводниках одинакова. Ответ запишите словом (словами).Третий вариант задания (Демидова, №25)

Алгоритм решения:

Анализируем схему направления токов в проводниках.
Ищем направление силы Ампера, действующих на проводник №3.

Аналогично ищем направление силы со стороны 1-го проводника.
Определяем результирующее направление.
Записываем ответ.

Решение:

1. Из з-на Ампера следует, что тонкие параллельные проводники с постоянным током, движущимся в одном направлении, притягиваются, а с токами, движущимися в противоположном направлении, отталкиваются. Это означает, что проводники №2 и №3 притягиваются, а проводники №1 и №3 отталкиваются.

2. Поскольку проводники параллельны между собой и расположены по горизонтали, то силы притяжения проводников направлены по вертикали (т.е. перпендикулярно). При этом сила притяжения проводника №3 к проводнику №2 направлена вертикально вверх (красная стрелка), а сила отталкивания проводника №3 от проводника №1 – вертикально вниз (синяя стрелка).

3. Но поскольку проводник №2 ближе к 3-му, чем №1, то при одинаковых силах токов воздействие со стороны 2-го проводника окажется более сильным, т.е. сила притяжения будет большей, чем сила отталкивания. Следовательно, результирующая направлена вертикально вверх.

Прямолинейный проводник длиной 0,2 м находится в однородном магнитном поле с индукцией 4 Тл и расположен под углом к вектору индукции. Чему равен модуль силы, действующей на проводник со стороны магнитного поля при силе тока в нем 2 А? (Ответ дать в ньютонах.)

2. Прямолинейный проводник длиной 0,5 м, по которому течет ток 6 А, находится в однородном магнитном поле. Модуль вектора магнитной индукции 0,2 Тл, проводник расположен под углом к вектору В . Какова сила, действующая на проводник со стороны магнитного поля? (Ответ дать в ньютонах.)

3. При силе тока в проводнике 20 А на участок прямого проводника длиной 50 см в однородном магнитном поле действует сила Ампера 12 Н. Вектор индукции магнитного поля направлен под углом 37° к проводнику Определите модуль индукции магнитного поля. Ответ выразите в теслах и округлите до целого числа.

4. Дан участок прямого проводника длиной 50 см в однородном магнитном поле с индукцией 2 Тл при силе тока в проводнике 20 А и направлении вектора индукции магнитного поля под углом к проводнику. Какова сила Ампера, действующая на этот участок? (Ответ дать в ньютонах.)

5. Проводник с током длиной 2 м находится в однородном магнитном поле с индукцией Причем направление магнитного поля составляет 30° с направлением тока. Чему равна сила со стороны магнитного поля, действующая на проводник? (Ответ дать в ньютонах.)

6. Два длинных прямых провода, по которым протекают постоянные электрические токи, расположены параллельно друг другу. В таблице приведена зависимость модуля силы F магнитного взаимодействия этих проводов от расстояния r между ними.

Чему будет равен модуль силы магнитного взаимодействия между этими проводами, если расстояние между ними сделать равным 6 м, не меняя силы текущих в проводах токов? (Ответ дать в мкН. )

8. Прямой проводник длиной 50 см равномерно поступательно движется в однородном постоянном магнитном поле, направление которого совпадает с направлением вертикальной оси Y (на рисунке эта ось направлена «на нас»). Скорость проводника направлена перпендикулярно ему, и составляет угол 30° с горизонтальной осью X , как показано на рисунке. Разность потенциалов между концами проводника равна 25 мВ, модуль индукции магнитного поля 0,1 Тл. Определите модуль скорости движения этого проводника. (Ответ дать в метрах в секунду.)

Примечание

9. Прямой проводник длиной 25 см равномерно поступательно движется в однородном постоянном магнитном поле, направление которого совпадает с направлением вертикальной оси Y (на рисунке эта ось направлена «на нас»). Скорость проводника равна 1 м/с, направлена перпендикулярно проводнику, и составляет угол 60° с горизонтальной осью X , как показано на рисунке. Разность потенциалов между концами проводника равна 75 мВ. Определите модуль индукции магнитного поля. (Ответ дать в теслах.)

Примечание : вектор скорости лежит в плоскости рисунка.

10.

Как направлена относительно рисунка (вправо, влево, вверх, вниз, к наблюдателю, от наблюдателя) сила Ампера, действующая на проводник 1 со стороны проводника 2 (см. рисунок), если проводники тонкие, длинные, прямые, параллельны друг другу? (I — сила тока.) Ответ запишите словом (словами).

При создании картины с учётом творческого замысла и сюжета композиции художник выбирает или задаёт высоту точки зрения, а на её основе определяет положение линии горизонта.

При изучении перспективы очень часто линию горизонта считают дугообразной, учитывая сферическую форму Земли. Однако, сравнивая размеры Земного шара с ничтожно малым участком его контура, охватываемого полем зрения человека, край поверхности моря(или Земли) воспринимается горизонтальной воображаемой линией.

В этом легко можно убедиться, если встать на открытой равнинной местности или на берегу моря и на уровне глаз горизонтально расположить линейку или карандаш. Тогда в пределах поля зрения край линейки совпадает с краем моря или равнинной местности, т. е. с воображаемой линией горизонта. Следовательно, при небольшом участке видения пространства эта округлость Земли не ощутима для нашего зрения, поэтому горизонт воспринимается горизонтальной линией. Вместе с тем, если поворачивать глаза в обе стороны, не двигая головой, то при большом охвате открытого пространства зрением человека эта незначительная округлость земной поверхности слегка ощущается.

Сферичность Земли особенно проявляется при глубинном охвате пространства морских далей. Мысленно представим, что мы стоим на берегу моря и смотрим вслед уплывающему пароходу, фиксируя при удалении его видимость.

На схеме отметим первоначальное положение парохода при небольшом удалении и с незначительным уменьшением его величины (I). С приближением к горизонту пароход с берега будет виден ещё полностью, но по размерам очень небольшим (II). Затем будет видна его верхняя палубная часть с дымящейся трубой (III), и, наконец, можно заметить только шлейф дыма (IV).

Таким образом, схематичный рисунок, сделанный на основе наблюдений, наглядно показывает на существующую в действительности сферическую форму поверхности Земли.

На основе этого примера зафиксируем наблюдения зрителя, стоящего на берегу моря, за движением вереницы парусников, уплывающих в направлении к горизонту.

Заметим, что в действительности траектория их движения зрительно воспринимается по кривой с учётом сферичности Земли. Вместе с тем изображение вереницы парусников на картине, выполненное по строгим законам перспективы, будет другим. Направление пути, движущихся к горизонту один за другим парусников, теоретически представляет собой прямую линию с предельной точкой на горизонте, а при их построении — две параллельные прямые с точкой схода.

Таким образом, при глубинном охвате зрением человека открытого пространства (морских далей) с движущимися объектами округлость Земли слегка ощущается. Рассматривая удалённое пространство у горизонта, дугообразность контура земного шара также чуть заметна. Однако при охвате полем зрения небольшого участка края земли горизонт воспринимается горизонтальным. Зафиксируем эти примеры в памяти и будем учитывать их при рисовании с натуры и создании композиций, связанных с подобным сюжетом.

С учётом положения на картине линия горизонта может быть высокой, средней и низкой. Если она находится на одинаковом расстоянии от верхнего и нижнего рая картины, то это средний горизонт.

Принято считать линию горизонта высокой при расположении её выше середины картины и низкой, если она ниже середины. При этом не имеет значения, в каком месте верхней и нижней половины картины находится высокий и низкий горизонт. Заметим, что в данных примерах разное положение линии горизонта на картине связано с изменением высоты точки зрения (то есть рисующего) относительно предметной плоскости. Расстояние, определяемое положением точки зрения до картины, в этом случае не менялось. Поэтому в каждой из картин условно заданная величина ширины шоссейной дороги, у которой стоит зритель, одинаковая.

С изменением высоты положения зрителя и линии горизонта, соответственно меняется и композиция картины. Каждый раз, для более удачного размещения изображения на листе, стоит задуматься, какое положение линии горизонта будет в данном случае наиболее удачным.

Итак, расстояние от основания картины до линии горизонта определяет высоту точки зрения, т. е. положение зрителя относительно предметной плоскости. Однако в некоторых случаях при изображении одного и того же сюжета (пейзажа, натюрморта, жанровой композиции) на картине можно задать разное положение линии горизонта, сохранив неизменной высоту точки зрения. В этом случае изменяется расстояние от зрителя до картины. Рассмотрим пример.

На картине изображена окраина города, которая ограничена тремя рамками одинакового размера. В связи с удалением картины меняется расстояние от неё до зрителя и положение на ней линии горизонта — высокая, средняя, низкая.
Вместе с тем высота точки зрения оставалась неизменной, так как зритель находился на одном и том же месте.

Рассмотрим другой пример. На двух картинах изображён один и тот же натюрморт, который ограничен рамкой одинакового размера, но с различным её положением.

На горизонтальной картине — высокий горизонт, поскольку он расположен ближе к верхнему краю рамки, а на вертикальной — средний. Вместе с тем, высота точки зрения не менялась, а следовательно, и положение линии горизонта на картине относительно предметов натюрморта, т. к. рисующий находился на одном и том же месте и сохранилось неизменным дистанционное расстояние.

Положение горизонта на картине и высота зрителя относительно изображённых предметов иногда могут не совпадать. В рассмотренных выше примерах определение высоты горизонта дано с учётом её положения на картине. На практике при рисовании с натуры высоту линии горизонта иногда определяют иначе — на основе положения зрителя относительно изображаемых предметов. Так, например пейзаж (см. илл.28) обозревается с высокого места расположения зрителя. Однако, выбирая с учётом композиции положение картины, линия горизонта на ней может быть средней и низкой. В этом случае и происходит «несовпадение! Высокой точки зрения с положением горизонта на картине.

Полезно знать, как осуществляется поиск удачного размещения объекта на листе. При рисовании с натуры известен практический приём использования видоискателя для определения положения листа бумаги с расположением на нём изображаемых объектов, дистанционного расстояния и высоты линии горизонта. Для этого на бумаге вырезают прямоугольник, стороны которого пропорциональны листу, выбранному для рисования. Держа в руках видоискатель и направляя его на изображаемый объект, рисующий фиксирует через прямоугольное отверстие наиболее удачное композиционное размещение предметов при горизонтальном или вертикальном положении листа с учётом высоты линии горизонта.

При рисовании с натуры нужно уметь правильно определять линию горизонта, относительно изображаемых предметов и задавать её положение на картине. На равнинной местности при рисовании пейзажа линия горизонта чётка видна, как граница между небом и видимой частью земли. Если она закрыта какими-либо объектами, тогда её находят с помощью стакана с водой, поднятого на такую высоту, чтобы уровень воды был виден как прямая линия, которая зрительно и определяет положение горизонта. Этот же приём используют в помещении при рисовании с натуры.

Итак, как же правильно задать на картине линию горизонта и отчего это зависит? Высоту линии горизонта рисующий выбирает с учётом задач, которые перед ним поставлены. В зависимости от того, рисует ли он с натуры или по памяти, работает ли над созданием творческой композиции или выполняет перспективное изображение по чертежу объекта (плану и фасаду здания, например) — на основе этого и определяется высота точки зрения и положение линии горизонта на картине.

Высокий горизонт, как правило, выбирают в пейзаже с изображением просторов бескрайних степей и полей, лесных массивов и речных далей для выявления большей глубины пространства. Его используют при изображении панорамы города с высоты «птичьего полёта» или улицы при обозрении её с высокого места положения зрителя.
Низкий горизонт используют в пейзаже для показа большого пространства неба с грозовыми тучами или с освещёнными солнцем облаками.

В сочетании с удлинённостью картины низкий горизонт создаёт впечатление её панорамности, охвата большого пространства и непрерывности движения объектов при изображении какого-либо характерного сюжета (скачки, авторалли, бегущие лыжники и пр.)

Низкий горизонт художники используют при вертикальном расположении картины для придания монументальности высоким объектам или для передачи величия персонажа.

Электрическая цепь, состоящая из четырех прямолинейных горизонтальных проводников (1-2, 2-3, 3-4, 4-1) и источника постоянного тока, находится в однородном магнитном поле, вектор магнитной индукции которого В направлен вертикально вниз (см. рисунок, вид сверху). Куда направлена сила Ампера, действующая на проводник 1-2?

лектрическая цепь, состоящая из четырёх прямолинейных горизонтальных проводников (1-2, 2-3, 3-4, 4-1) и источника постоянного тока, находится в однородном магнитном поле, направленном вертикально вниз (см. рисунок, вид сверху). Как направлена относительно рисунка (вправо, влево, вверх, вниз, к наблюдателю, от наблюдателя) вызванная этим полем сила Ампера, действующая на проводник 2-3? Ответ запишите словом (словами).

Прямолинейный проводник длиной l = 0,1 м, по которому течёт ток I = 2 А, расположен в однородном магнитном поле под углом 90° к вектору B. Каков модуль индукции магнитного поля В, если сила, действующая на проводник со стороны магнитного поля, равна 0,2 Н?

4. В однородном магнитном поле по вертикальным направляющим без трения скользит прямой горизонтальный проводник массой 0,2 кг, по которому течёт ток 2 А. Вектор магнитной индукции направлен горизонтально перпендикулярно проводнику (см. рисунок), В = 2 Тл. Чему равна длина проводника, если известно, что ускорение проводника направлено вниз и равно 2 м/с2?

Прямолинейный проводник, по которому течёт ток, равный 3 А, расположен в однородном магнитном поле с индукцией В = 0,4 Тл под углом 30° к вектору В. Модуль силы, действующей на проводник со стороны магнитного поля, равен 0,3 Н. Какова длина проводника?

В однородное магнитное поле с индукцией 0,085 Тл влетает электрон со скоростью 4,6·10 7 м/с, направленной перпендикулярно линиям индукции поля. Определите радиус окружности, по которой движется электрон.

Электрон движется в однородном магнитном поле в вакууме перпендикулярно линиям индукции по окружности радиусом 1 см. Определите скорость движения электрона, если магнитная индукция поля 0,2 Тл.

В заштрихованной области на рисунке действует однородное магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости рисунка, В = 0,1 Тл. Проволочную квадратную рамку сопротивлением R = 10 Ом и стороной l = 10 см перемещают в плоскости рисунка поступательно со скоростью v = 1 м/с. Чему равен индукционный ток в рамке в состоянии 1?

Сила лоренца какой раздел физики. Сила лоренца в магнитном поле

Основные законы Динамики. Законы Ньютона — первый, второй, третий. Принцип относительности Галилея. Закон всемирного тяготения. Сила тяжести. Силы упругости.

Вес. Силы трения — покоя, скольжения, качения + трение в жидкостях и газах.

Кинематика. Основные понятия. Равномерное прямолинейное движение. Равноускоренное движение. Равномерное движение по окружности. Система отсчёта. Траектория, перемещение, путь, уравнение движения, скорость, ускорение, связь линейной и угловой скорости.

Простые механизмы. Рычаг (рычаг первого рода и рычаг второго рода). Блок (неподвижный блок и подвижный блок). Наклонная плоскость. Гидравлический пресс. Золотое правило механики

Законы сохранения в механике. Механическая работа, мощность, энергия, закон сохранения импульса, закон сохранения энергии, равновесие твердых тел

Движение по окружности. Уравнение движения по окружности. Угловая скорость. Нормальное = центростремительное ускорение. Период, частота обращения (вращения). Связь линейной и угловой скорости

Механические колебания. Свободные и вынужденные колебания. Гармонические колебания. Упругие колебания. Математический маятник.

Превращения энергии при гармонических колебаниях

Механические волны. Скорость и длина волны. Уравнение бегущей волны. Волновые явления (дифракция. интерференция…)

Гидромеханика и аэромеханика. Давление, гидростатическое давление. Закон Паскаля. Основное уравнение гидростатики. Сообщающиеся сосуды. Закон Архимеда. Условия плавания тел. Течение жидкости. Закон Бернулли. Формула Торричели

Молекулярная физика. Основные положения МКТ. Основные понятия и формулы. Свойства идеального газа. Основное уравнение МКТ. Температура. Уравнение состояния идеального газа. Уравнение Менделеева-Клайперона. Газовые законы — изотерма, изобара, изохора

Волновая оптика. Корпускулярно-волновая теория света. Волновые свойства света. Дисперсия света. Интерференция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракция света. Поляризация света

Термодинамика. Внутренняя энергия. Работа. Количество теплоты. Тепловые явления. Первый закон термодинамики. Применение первого закона термодинамики к различным процессам.

Уравнение теплового балланса. Второй закон термодинамики. Тепловые двигатели

Электростатика. Основные понятия. Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона. Принцип суперпозиции. Теория близкодействия. Потенциал электрического поля. Конденсатор.

Постоянный электрический ток. Закон Ома для участка цепи. Работа и мощность постоянного тока. Закон Джоуля-Ленца. Закон Ома для полной цепи. Закон электролиза Фарадея. Электрические цепи — последовательное и параллельное соединение. Правила Кирхгофа.

Электромагнитные колебания. Свободные и вынужденные электромагнитные колебания. Колебательный контур. Переменный электрический ток. Конденсатор в цепи переменного тока. Катушка индуктивности («соленоид») в цепи переменного тока.

Электромагнитные волны. Понятие электромагнитной волны. Свойства электромагнитных волн. Волновые явления

Вы сейчас здесь: Магнитное поле. Вектор магнитной индукции. Правило буравчика. Закон Ампера и сила Ампера.

Сила Лоренца. Правило левой руки. Электромагнитная индукция, магнитный поток, правило Ленца, закон электромагнитной индукции, самоиндукция, энергия магнитного поля

Квантовая физика. Гипотеза Планка. Явление фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна. Фотоны. Квантовые постулаты Бора.

Элементы теории относительности. Постулаты теории относительности. Относительность одновременности, расстояний, промежутков времени. Релятивистский закон сложения скоростей. Зависимость массы от скорости. Основной закон релятивистский динамики…

Погрешности прямых и косвенных измерений. Абсолютная, относительная погрешность. Систематические и случайные погрешности. Среднее квадратическое отклонение (ошибка). Таблица определения погрешностей косвенных измерений различных функций.

«Физика — 11 класс»

Магнитное поле действует с силой на движущиеся заряженные частицы, в то числе и на проводники с током.
Какова же сила, действующая на одну частицу?

1.
Силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля, называют силой Лоренца в честь великого голландского физика X. Лоренца, создавшего электронную теорию строения вещества.
Силу Лоренца можно найти с помощью закона Ампера.

Модуль силы Лоренца равен отношению модуля силы F, действующей на участок проводника длиной Δl, к числу N заряженных частиц, упорядоченно движущихся в этом участке проводника:

Так как сила (сила Ампера), действующая на участок проводника со стороны магнитного поля
равна F = | I | BΔl sin α ,
а сила тока в проводнике равна I = qnvS
где
q — заряд частиц
n — концентрация частиц (т.е. число зарядов в единице объема)
v — скорость движения частиц
S — поперечное сечение проводника.

Тогда получаем:
На каждый движущийся заряд со стороны магнитного поля действует сила Лоренца , равная:

где α — угол между вектором скорости и вектором магнитной индукции.

Сила Лоренца перпендикулярна векторам и .

2.
Направление силы Лоренца

Направление силы Лоренца определяется с помощью того же правила левой руки , что и направление силы Ампера:

Если левую руку расположить так, чтобы составляющая магнитной индукции, перпендикулярная скорости заряда, входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по движению положительного заряда (против движения отрицательного), то отогнутый на 90° большой палец укажет направление действующей на заряд силы Лоренца F л

3.
Если в пространстве, где движется заряженная частица, существует одновременно и электрическое поле, и магнитное поле, то суммарная сила, действующая на заряд, равна: = эл + л где сила, с которой электрическое поле действует на заряд q, равна F эл = q.

4.
Cила Лоренца не совершает работы , т.к. она перпендикулярна вектору скорости частицы.
Значит сила Лоренца не меняет кинетическую энергию частицы и, следовательно, модуль ее скорости.
Под действием силы Лоренца меняется лишь направление скорости частицы.

5.
Движение заряженной частицы в однородном магнитном поле

Есть однородное магнитное поле , направленное перпендикулярно к начальной скорости частицы .

Сила Лоренца зависит от модулей векторов скорости частицы и индукции магнитного поля.
Магнитное поле не меняет модуль скорости движущейся частицы, значит остается неизменным и модуль силы Лоренца.
Сила Лоренца перпендикулярна скорости и, следовательно, определяет центростремительное ускорение частицы.
Неизменность по модулю центростремительного ускорения частицы, движущейся с постоянной по модулю скоростью, означает, что

В однородном магнитном поле заряженная частица равномерно движется по окружности радиусом r .

Согласно второму закону Ньютона

Тогда радиус окружности по которой движется частица, равен:

Время, за которое частица делает полный оборот (период обращения), равно:

6.
Использование действия магнитного поля на движущийся заряд.

Действие магнитного поля на движущийся заряд используют в телевизионных трубках-кинескопах, в которых летящие к экрану электроны отклоняются с помощью магнитного поля, создаваемого особыми катушками.

Сила Лоренца используется в циклотроне — ускорителе заряженных частиц для получения частиц с большими энергиями.

На действии магнитного поля основано также и устройство масс-спектрографов, позволяющих точно определять массы частиц..

Наряду с силой Ампера, кулоновского взаимодействия, электромагнитными полями в физике часто встречается понятие сила Лоренца. Это явление является одним из основополагающих в электротехнике и электронике, на ряду с , и прочими. Она воздействует на заряды, которые двигаются в магнитном поле. В этой статье мы кратко и понятно рассмотрим, что такое сила Лоренца и где она применяется.

Определение

Когда электроны движутся по проводнику – вокруг него возникает магнитное поле. В то же время, если поместить проводник в поперечное магнитное поле и двигать его – возникнет ЭДС электромагнитной индукции. Если через проводник, который находится в магнитном поле, протекает ток – на него действует сила Ампера.

Её величина зависит от протекающего тока, длины проводника, величины вектора магнитной индукции и синуса угла между линиями магнитного поля и проводником. Она вычисляются по формуле:

Рассматриваемая сила отчасти похожа на ту, что рассмотрена выше, но действует не на проводник, а на движущуюся заряженную частицу в магнитном поле. Формула имеет вид:

Важно! Сила Лоренца (Fл) действует на электрон, движущийся в магнитном поле, а на проводник – Ампера.

Из двух формул видно, что и в первом и во втором случае, чем ближе синус угла aльфа к 90 градусам, тем большее воздействие оказывает на проводник или заряд Fа или Fл соответственно.

Итак, сила Лоренца характеризует не изменение величины скорости, а то, какое происходит воздействие со стороны магнитного поля на заряженный электрон или положительный ион. При воздействии на них Fл не совершает работы. Соответственно изменяется именно направление скорости движения заряженной частицы, а не её величина.

Что касается единицы измерения силы Лоренца, как и в случае с другими силами в физике используется такая величина как Ньютон. Её составляющие:

Как направлена сила Лоренца

Чтобы определить направление силы Лоренца, как и с силой Ампера, работает правило левой руки. Это значит, чтобы понять, куда направлено значение Fл нужно раскрыть ладонь левой руки так, чтобы в руку входили линии магнитной индукции, а вытянутые четыре пальца указывали направление вектора скорости. Тогда большой палец, отогнутый под прямым углом к ладони, указывает направление силы Лоренца. На картинке ниже вы видите, как определить направление.

Внимание! Направление Лоренцового действия перпендикулярно движению частицы и линиям магнитной индукции.

При этом, если быть точнее, для положительно и отрицательно заряженных частиц имеет значение направление четырёх развернутых пальцев. Выше описанное правило левой руки сформулировано для положительной частицы. Если она заряжена отрицательно, то линии магнитной индукции должны быть направлены не в раскрытую ладонь, а в её тыльную сторону, а направление вектора Fл будет противоположным.

Теперь мы расскажем простыми словами, что даёт нам это явление и какое реальное воздействие она оказывает на заряды. Допустим, что электрон движется в плоскости, перпендикулярной направлению линий магнитной индукции. Мы уже упомянули, что Fл не воздействует на скорость, а лишь меняет направление движения частиц. Тогда сила Лоренца будет оказывать центростремительное воздействие. Это отражено на рисунке ниже.

Применение

Из всех сфер, где используется сила Лоренца, одной из масштабнейших является движение частиц в магнитном поле земли. Если рассмотреть нашу планету как большой магнит, то частицы, которые находятся около северного магнитного полюсов, совершают ускоренное движение по спирали. В результате этого происходит их столкновение с атомами из верхних слоев атмосферы, и мы видим северное сияние.

Тем не менее, есть и другие случаи, где применяется это явление. Например:

Электронно-лучевые трубки. В их электромагнитных отклоняющих системах. ЭЛТ применялись больше чем 50 лет подряд в различных устройствах, начиная от простейшего осциллографа до телевизоров разных форм и размеров. Любопытно, что в вопросах цветопередачи и работы с графикой некоторые до сих пор используют ЭЛТ мониторы.
Электрические машины – генераторы и двигатели. Хотя здесь скорее действует сила Ампера. Но эти величины можно рассматривать как смежные. Однако это сложные устройства при работе которых наблюдается воздействие многих физических явлений.
В ускорителях заряженных частиц для того, чтобы задавать им орбиты и направления.

Заключение

Подведем итоги и обозначим четыре основных тезиса этой статьи простым языком:

Сила Лоренца действует на заряженные частицы, которые движутся в магнитном поле. Это вытекает из основной формулы.
Она прямо пропорциональна скорости заряженной частицы и магнитной индукции.
Не влияет на скорость частицы.
Влияет на направление частицы.

Её роль достаточно велика в «электрических» сферах. Специалист не должен упускать из вида основные теоретические сведения об основополагающих физических законах. Эти знания пригодятся, как и тем, кто занимается научной работой, проектированием и просто для общего развития.

Теперь вы знаете, что такое сила Лоренца, чему она равна и как действует на заряженные частицы. Если возникли вопросы, задавайте их в комментариях под статьей!

Материалы

Силой Лоренца называют силу, которая действует со стороны электромагнитного поля на движущийся электрический заряд. Весьма нередко силой Лоренца называют лишь магнитную составляющую этого поля. Формула для определения:

F = q(E+vB),

где q — заряд частицы; Е — напряжённость электрического поля; B — магнитная индукция поля; v — скорость частицы.

Сила Лоренца очень похожа по своему принципу на , разница заключается в том, что последняя действует на весь проводник, который в целом электрически нейтральный, а сила Лоренца описывает влияние электромагнитного поля лишь на единичный движущийся заряд.

Она характеризуется тем, что не изменяет скорость перемещения зарядов, а лишь воздействует на вектор скорости, то есть способна изменять направление движения заряженных частиц.

В природе сила Лоренца позволяет защищать Землю от воздействия космической радиации. Под её воздействием падающие на планету заряженные частицы отклоняются от прямой траектории благодаря присутствию магнитного поля Земли, вызывая полярные сияния.

В технике сила Лоренца используется очень часто: во всех двигателях и генераторах именно она приводит во вращение ротор под действием электромагнитного поля статора.

Таким образом, в любых электромоторах и электроприводах основным видом силы является Лоренцева. Кроме того, она применяется в ускорителях заряженных частиц, а также в электронных пушках, которые раньше устанавливались в ламповых телевизорах. В кинескопе испускаемые пушкой электроны отклоняются под влиянием электромагнитного поля, что происходит при участии Лоренцевой силы.

Кроме того, эта сила используется в масс-спектрометрии и масс-электрографии для приборов, способных сортировать заряженные частицы в зависимости от их удельного заряда (отношение заряда к массе частицы). Это позволяет с высокой точностью определять массу частиц. Также находит применение в других КИП, например, в бесконтактном способе измерения расхода электропроводящих жидких сред (расходомеры). Это очень актуально, если жидкая среда обладает очень высокой температурой (расплав металлов, стекла и др.).

Нидерландский физик X. А. Лоренц в конце XIX в. установил, что сила, действующая со стороны магнитного поля на движущуюся заряженную частицу, всегда перпендикулярна направлению движения частицы и силовым линиям магнитного поля, в котором эта частица движется. Направление силы Лоренца можно определить с помощью правила левой руки. Если расположить ладонь левой руки так, чтобы четыре вытянутых пальца указывали направление движения заряда, а вектор магнитной индукции поля входил в отставленный большой палец укажет направление силы Лоренца, действующей на положительный заряд.

Если заряд частицы отрицательный, то сила Лоренца будет направлена в противоположную сторону.

Модуль силы Лоренца легко определяется из закона Ампера и составляет:

F = | q | vB sin? ,

где q — заряд частицы, v — скорость ее движения , ? — угол между векторами скорости и индукции магнитного поли.

Если кроме магнитного поля есть еще и электрическое поле , которое действует на заряд с силой , то полная сила, действующая на заряд, равна:

Часто именно эту силу называют силой Лоренца, а силу, выраженную формулой (F = | q | vB sin? ) называют магнитной частью силы Лоренца .

Поскольку сила Лоренца перпендикулярна направлению движения частицы, она не может изменить ее скорость (она не совершает работы), а может изменить лишь направление ее движения, т. е. искривить траекторию .

Такое искривление траектории электронов в кинескопе телевизора легко наблюдать, если поднести к его экрану постоянный магнит — изображение исказится.

Движение заряженной частицы в однородном магнитном поле. Пусть заряженная частица влетает со скоростью v в однородное магнитное поле перпендикулярно линиям напряженности.

Сила, действующая со стороны магнитного поля на частицу, заставит ее равномерно вращаться по окружности радиусом r , который легко найти, воспользовавшись вторым законом Ньютона , выражением целеустремленного ускорения и формулой (F = | q | vB sin? ):

Отсюда получим

где m — масса частицы.

Применение силы Лоренца.

Действие магнитного поля на движущиеся заряды применяется, например, в масс-спектрографах , позволяющих разделять заряженные частицы по их удельным зарядам, т. е. по отношению заряда частицы к ее массе, и по полученным результатам точно определять массы частиц.

Вакуумная камера прибора помещена в поле (вектор индукции перпендикулярен рисунку). Ускоренные электрическим полем заряженные частицы (электроны или ионы), описав дугу, попадают на фотопластину, где оставляют след, позволяющий с большой точностью измерить радиус траектории r . По этому радиусу определяется удельный заряд иона. Зная заряд иона, легко вычислите его массу.

Решение задач по теме «Сила Ампера»

Урок решения задач

По теме :

«Магнитное поле. Применение правил буравчика, правой и левой руки»

Цели урока:

1. развитие интереса, умения и навыков к решению тестовых и графических задач.
2. совершенствование полученных знаний и умений
3. уметь решать задачи на описание магнитного поля тока и его действия :сила Ампера и сила Лоренца направление линий магнитной индукции.

Определить направление силы Ампера:

F A

Определить направление силы Ампера:

F A

Определить направление силы Ампера:

F A

Определить направление силы Ампера:

F A

Применяя правило левой руки, определи направление силы, с которой магнитное поле будет действовать на проводник с током. Предполагаемые направления силы Ампера указаны стрелочками.

а) 1, б)2, в)3, г)4

а) вверх, б)вниз, в) к нам, г) от нас.

а) 1, б) 2, в) 3, г) 4

Определить положение полюсов магнита, создающего магнитное поле.

а) слева – северный полюс,

б) слева – южный полюс.

Обнаружить магнитное поле можно по…

А) по действию на любой проводник,

Б) действию на проводник, по которому течет электрический ток,

В) заряженный теннисный шарик, подвешенный на тонкой нерастяжимой нити,

Г) на движущиеся электрические заряды.

а) А и Б, б) А и В, в) Б и В, г) Б и Г.

Закончить фразу: «Если электрический заряд неподвижен, то вокруг него существует…

а) магнитное поле,

б) электрическое поле,

в) электрическое и магнитное поле.

Закончить фразу: «Если электрический заряд движется, то вокруг него существует…

а) магнитное поле,

б) электрическое поле,

в) электрическое и магнитное поле.

Закончить фразу: «Вокруг проводника с током существует…

а) магнитное поле,

б) электрическое поле,

в) электрическое и магнитное поле.

Какие силы проявляются во взаимодействии двух проводников с током?

а) силы магнитного поля,

б) силы электрического поля,

в) сила всемирного тяготения.

Какие утверждения являются верными?

А.В природе существуют электрические заряды.

Б. В природе существуют магнитные заряды.

В.В природе не существует электрических зарядов.

Г.В природе не существует магнитных зарядов.

а) А и Б, б) А и В, в) А и Г, г) Б, В и Г.

На рисунке показана картина магнитных линий прямого тока. В какой точке магнитное поле самое сильное?

а) б) в)

Два параллельных проводника, по которым текут токи противоположных направлений…

а) взаимно притягиваются,

б) взаимно отталкиваются,

в) никак не взаимодействуют.

Два параллельных проводника длиной по 1 м, расположенные на расстоянии 1 м друг от друга при протекании по ним электрического тока, притягиваются с силой 1 ∙10 -7 Н. Это значит, что по проводникам текут токи…

а) противоположных направлений по 1 А,

б) одного направления по 1 А,

в) противоположных направлений по 0,5 А,

г) одного направления по 0,5 А.

Как будут взаимодействовать друг с другом два параллельных проводника А и Б?

а ) они будут притягиваться,

б) они будут отталкиваться,

в) они не будут взаимодействовать .

Определить направление тока по известному направлению магнитных линий

Определить направление тока в проводнике по направлению магнитных линий

Магнитная стрелка отклонится, если её разместить вблизи…

А) вблизи потока электронов,

Б) вблизи потока атомов водорода,

В) вблизи потока отрицательных ионов,

Г) вблизи потока положительных ионов,

Д) вблизи потока ядер атома кислорода.

а) все ответы верны, б) А, Б, В, и Г,

в) Б, В, Г, г) Б, В, Г, Д

15. Магнитное поле в вакууме. Взаимодействие токов. Сила Ампера. Сила Лоренца.

Магнитным полем называют вид материи, через которую передается силовое воздействие на движущиеся электрические заряды и тела, обладающие магнитным моментом.

Пробным элементом для изучения магнитного поля является бесконечно маленькая магнитная стрелка или контур с током, которые своим магнитным полем не искажают исследуемое поле.

Основной силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции В. Его величину рассчитывают по формулам:

или ,

где – максимальная сила, действующая на проводник длиной , M_max–максимальный вращающий момент, действующий на пробную рамку площадью S с током I.

Магнитная индукция – это векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой в данной точке магнитного поля. Единица магнитной индукции – тесла (Тл).

Магнитные поля изображают с помощью линий магнитной индукции (силовых линий). Линии магнитной индукции – линии, касательные к которым в данной точке совпадают по направлению с вектором В в этой точке. Направление линий магнитной индукции связано с направлением тока в проводнике. Направление силовых линий магнитного поля, создаваемого проводником с током, определяется по правилу правого винта (буравчика): если правовинтовой буравчик ввинчивать по направлению тока, то направление вращения рукоятки буравчика будет совпадать с направлением линий магнитной индукции.

Линии магнитной индукции всегда замкнуты и охватывают проводники с токами. Замкнутость (вихревой характер) линий магнитной индукции говорит о том, что в природе не существует магнитных зарядов, на которых бы они начинались или кончались.

О дним из проявлений магнитного поля является его силовое воздействие на проводник с током, помещенный в магнитное поле. Ампером было установлено, что на проводник с током, помещенный в однородное магнитное поле, индукция которого В, действует сила, пропорциональная силе тока и индукции магнитного поля:

dF = B I dl sin ,

где  – угол между векторами В и dl. Или в векторной форме: ,

где dl – малый участок проводника, имеющий направление, совпадающее с направлением тока]. Произведение Idl называют элементом тока. В случае прямолинейного проводника длиной l:

Для определения направления силы пользуются правилом левой руки: линии магнитной индукции входят в ладонь, четыре пальца совпадают с направлением тока, отогнутый большой палец укажет направление действия силы.

С помощью силы Ампера можно объяснить взаимодействие двух параллельных проводников. Два тонких прямолинейных проводника, по которым текут токи, притягиваются, если токи в них имеют одинаковое направление, и отталкиваются, если токи противоположны. Взаимодействие токов осуществляется посредством магнитного поля.

Так как на проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера, то под ее действием магнитным полем совершается работа по перемещению проводника с током. Для определения этой работы рассмотрим проводник длиной l с током I, помещенный в однородное магнитное поле, перпендикулярное плоскости контура (рис. 15.1). Под действием силы Ампера F_А = I B l проводник переместится параллельно самому себе на расстояние dx. Работа, совершаемая магнитным полем, равна :

(т.к. ).

У нас направление поля В перпендикулярно площадке dS. В общем случае берем составляющую В_n: .

Введем понятие потока вектора магнитной индукции (магнитный поток): Ф = В S cos ,

где  – угол между вектором нормали к поверхности и вектором магнитной индукции, или . В случае неоднородного поля рассматривают магнитный поток через элементарную площадку: , затем суммируют по всей площади S: .

[Ф] = Вб (вебер).

Тогда работа по перемещению проводника с током в магнитном поле: 

где Ф = Ф₂ – Ф₁ – изменение магнитного потока.

При движении заряда во внешнем магнитном поле возникает силовое взаимодействие магнитных полей. Процесс взаимодействия магнитных полей исследовался Лоренцем, который вывел формулу для расчета силы, действующей со стороны магнитного поля на движущуюся заряженную частицу. Сила, действующая со стороны магнитного поля на движущийся заряд, равна

и называется силой Лоренца. Эта сила перпендикулярна векторам и . Направление силы Лоренца, действующей на положительный заряд, определяется по правилу левой руки. С изменением знака заряда направление силы изменяется на противоположное. В векторном виде сила Лоренца записывается:

Анализируя полученное выражение, можно сделать выводы:

если скорость заряда = 0, то F_л = 0, т. е. магнитное поле не действует на неподвижную заряженную частицу;
е сли =0, sin =0, то F_л=0, т. е. если частица движется так, что вектор скорости параллелен вектору магнитной индукции , то со стороны магнитного поля сила не действует.

Так как сила Лоренца всегда направлена перпендикулярно вектору скорости летящей частицы, то она не изменяет величину скорости, а изменяет лишь направление движения частиц. Действие этой силы не приводит к изменению энергии заряженной частицы, т.е. эта сила не совершает работы.

Попадание летящей частицы в магнитное поле вызывает изменение ее траектории в зависимости от знака заряда (рис.). На рис. вектор индукции магнитного поля направлен перпендикулярно плоскости чертежа (на нас). Частица будет двигаться по окружности, радиус R которой можно определить из равенства центростремительной силы и силы Лоренца: , откуда .

Сила Лоренца

Сила Ампера, действующая на отрезок проводника длиной Δl с силой тока I, находящийся в магнитном поле B,

F = IBΔl sin α

может быть выражена через силы, действующие на отдельные носители заряда.

Пусть концентрация носителей свободного заряда в проводнике есть n, а q – заряд носителя. Тогда произведение n q υ S, где υ – модуль скорости упорядоченного движения носителей по проводнику, а S – площадь поперечного сечения проводника, равно току, текущему по проводнику:

I = q n υ S.

Выражение для силы Ампера можно записать в виде:

F = q n S Δl υB sin α.

Так как полное число N носителей свободного заряда в проводнике длиной Δl и сечением S равно n S Δl, то сила, действующая на одну заряженную частицу, равна

F_Л = q υ B sin α.

Эту силу называют силой Лоренца. Угол α в этом выражении равен углу между скоростью и вектором магнитной индукции . Направление силы Лоренца, действующей на положительно заряженную частицу, так же, как и направление силы Ампера, может быть найдено по правилу левой руки или по правилу буравчика. Взаимное расположение векторов , и для положительно заряженной частицы показано на рис. 1.18.1.

Рисунок 1.18.1.

Взаимное расположение векторов , и Модуль силы Лоренца численно равен площади параллелограмма, построенного на векторах и помноженной на заряд q

Сила Лоренца направлена перпендикулярно векторам и

При движении заряженной частицы в магнитном поле сила Лоренца работы не совершает. Поэтому модуль вектора скорости при движении частицы не изменяется.

Если заряженная частица движется в однородном магнитном поле под действием силы Лоренца, а ее скорость лежит в плоскости, перпендикулярной вектору то частица будет двигаться по окружности радиуса

Сила Лоренца в этом случае играет роль центростремительной силы (рис. 1.18.2).

Рисунок 1.18.2.

Круговое движение заряженной частицы в однородном магнитном поле

Период обращения частицы в однородном магнитном поле равен

Это выражение показывает, что для заряженных частиц заданной массы m период обращения не зависит от скорости υ и радиуса траектории R.

Угловая скорость движения заряженной частицы по круговой траектории

называется циклотронной частотой. Циклотронная частота не зависит от скорости (следовательно, и от кинетической энергии) частицы. Это обстоятельство используется в циклотронах – ускорителях тяжелых частиц (протонов, ионов). Принципиальная схема циклотрона приведена на рис. 1.18.3.

Рисунок 1.18.3.

Движение заряженных частиц в вакуумной камере циклотрона

Между полюсами сильного электромагнита помещается вакуумная камера, в которой находятся два электрода в виде полых металлических полуцилиндров (дуантов). К дуантам приложено переменное электрическое напряжение, частота которого равна циклотронной частоте. Заряженные частицы инжектируются в центре вакуумной камеры. Частицы ускоряются электрическим полем в промежутке между дуантами. Внутри дуантов частицы движутся под действием силы Лоренца по полуокружностям, радиус которых растет по мере увеличения энергии частиц. Каждый раз, когда частица пролетает через зазор между дуантами, она ускоряется электрическим полем. Таким образом, в циклотроне, как и во всех других ускорителях, заряженная частица ускоряется электрическим полем, а удерживается на траектории магнитным полем. Циклотроны позволяют ускорять протоны до энергии порядка 20 МэВ.

Однородные магнитные поля используются во многих приборах и, в частности, в масс-спектрометрах – устройствах, с помощью которых можно измерять массы заряженных частиц – ионов или ядер различных атомов. Масс-спектрометры используются для разделения изотопов, то есть ядер атомов с одинаковым зарядом, но разными массами (например, ²⁰Ne и ²²Ne). Простейший масс-спектрометр показан на рис. 1.18.4. Ионы, вылетающие из источника S, проходят через несколько небольших отверстий, формирующих узкий пучок. Затем они попадают в селектор скоростей, в котором частицы движутся в скрещенных однородных электрическом и магнитном полях. Электрическое поле создается между пластинами плоского конденсатора, магнитное поле – в зазоре между полюсами электромагнита. Начальная скорость заряженных частиц направлена перпендикулярно векторам и

На частицу, движущуюся в скрещенных электрическом и магнитном полях, действуют электрическая сила и магнитная сила Лоренца. При условии E = υB эти силы точно уравновешивают друг друга. Если это условие выполняется, частица будет двигаться равномерно и прямолинейно и, пролетев через конденсатор, пройдет через отверстие в экране. При заданных значениях электрического и магнитного полей селектор выделит частицы, движущиеся со скоростью υ = E / B.

Далее частицы с одним и тем же значением скорости попадают в камеру масс-спектрометра, в которой создано однородное магнитное поле . Частицы движутся в камере в плоскости, перпендикулярной магнитному полю, под действием силы Лоренца. Траектории частиц представляют собой окружности радиусов R = mυ / qB’. Измеряя радиусы траекторий при известных значениях υ и B’ можно определить отношение q / m. В случае изотопов (q₁ = q₂) масс-спектрометр позволяет разделить частицы с разными массами.

Современные масс-спектрометры позволяют измерять массы заряженных частиц с точностью выше 10^–4.

Рисунок 1.18.4.

Селектор скоростей и масс-спектрометр

Если скорость частицы имеет составляющую вдоль направления магнитного поля, то такая частица будет двигаться в однородном магнитном поле по спирали. При этом радиус спирали R зависит от модуля перпендикулярной магнитному полю составляющей υ₊ вектора а шаг спирали p – от модуля продольной составляющей υ_|| (рис. 1.18.5).

Рисунок 1.18.5.

Движение заряженной частицы по спирали в однородном магнитном поле

Таким образом, траектория заряженной частицы как бы навивается на линии магнитной индукции. Это явление используется в технике для магнитной термоизоляции высокотемпературной плазмы, то есть полностью ионизированного газа при температуре порядка 10⁶ K. Вещество в таком состоянии получают в установках типа «Токамак» при изучении управляемых термоядерных реакций. Плазма не должна соприкасаться со стенками камеры. Термоизоляция достигается путем создания магнитного поля специальной конфиругации. В качестве примера на рис. 1.18.6 изображена траектория движения заряженной частицы в магнитной «бутылке» (или ловушке).

Рисунок 1.18.6.

Магнитная «бутылка». Заряженные частицы не выходят за пределы «бутылки». Магнитное поле «бутылки» может быть создано с помощью двух круглых катушек с током

Аналогичное явление происходит в магнитном поле Земли, которое является защитой для всего живого от потоков заряженных частиц из космического пространства. Быстрые заряженные частицы из космоса (главным образом от Солнца) «захватываются» магнитным полем Земли и образуют так называемые радиационные пояса (рис. 1.18.7), в которых частицы, как в магнитных ловушках, перемещаются туда и обратно по спиралеобразным траекториям между северным и южным магнитными полюсами за времена порядка долей секунды. Лишь в полярных областях некоторая часть частиц вторгается в верхние слои атмосферы, вызывая полярные сияния. Радиационные пояса Земли простираются от расстояний порядка 500 км до десятков земных радиусов. Следует вспомнить, что северный магнитный полюс Земли сейчас находится вблизи северного географического полюса и постепенно перемещается. Природа земного магнетизма до сих пор не изучена.

Рисунок 1.18.7.

Радиационные пояса Земли. Быстрые заряженные частицы от Солнца (в основном электроны и протоны) попадают в магнитные ловушки радиационных поясов. Частицы могут покидать пояса в полярных областях и вторгаться в верхние слои атмосферы, вызывая полярные сияния

Модель. Движение заряда в магнитном поле

Модель. Масс-спектрометр

Модель. Селектор скоростей

Опубликовано в разделах: Электродинамика, Магнитное поле

Сила Ампера. Сила Лоренца.

Государственное бюджетное образовательное учреждение

среднего профессионального образования

Луганской Народной Республики

«Луганский колледж автосервиса им. А.А.Гизая»

Методическая разработка урока по физике

тема: «Сила Ампера. Сила Лоренца»

разработал: Крючков В.В.

Луганск 2020

Цель урoка: сфoрмирoвать представление o воздействии магнитнoго пoля на проводник с током и простейшие заряженные частицы.

Задачи урoка.

Образовательные:

Сформировать понятия силы Ампера и силы Лоренца, направление их действия.
Сформировать умение решать задачи с использованием формул для расчета силы Ампера и силы Лоренца.
Проконтролировать степень усвоения знаний, умений и навыков по данной теме.

Развивающие:

Продолжить работу по формированию умения анализировать, делать выводы.
Продолжить развитие умения использовать теоретические знания при решении задач.

Воспитательные:

Продолжать работу по формированию внимания, усидчивости, аккуратности, доброжелательного отношения к товарищам, воспитание умения слушать мнение других.
Совершенствовать навыки самостоятельной работы.

Ход урока

Организационный момент.

Приветствие. Проверка посещаемости обучающихся.

Актуализация опорных знаний.

Беседа по вопросам:

— Вспомните свойства магнитного поля.

— Какова основная характеристика магнитного поля?

— На основе, каких действий поля она вводится?

— Что такое электрический ток?

Мотивация учебной деятельности.

Задание: Угадайте o какoм предмете идет речь?

Приoритет на егo изoбретение oспаривают Испания, Италия, Пoртугалия, Франция, а также арабские страны;

Есть сведения, чтo этoт предмет в виде статуэтки императoра с вытянутoй рукoй пoмoг китайским вoйскам сoвершить маневр в тумане и выиграть битву еще в 27 веке дo н. э.;

Первoе письменнoе упoминание oб егo испoльзoвании в мoреплавании oтнoсится к 11 веку.

Oтвет: кoмпас.

O каких явлениях мы будем гoвoрить? — o магнитных.

Изучение нового материала.

Сила Ампера.

Если тoки в прoвoдниках имеют oдинакoвые направления, тo прoвoдники притягиваются с равными пo величине силами.

Сила взаимoдействия параллельных тoкoв прямo прoпoрциoнальна прoизведению сил тoкoв выбраннoй длины прoвoдника и oбратнo прoпoрциoнальна расстoянию между прoвoдниками.

— магнитная пoстoянная

На прoвoдник с тoкoм действует сила Ампера, т.е

Сила Ампера – этo сила, с кoтoрoй магнитнoе пoле действует на электрический тoк.

Сила действующая на проводник с током со стороны магнитного поля, прямо пропорциональна силе тока, длине проводника, модулю вектора магнитной индукции, синусу угла между вектором индукции магнитного поля и проводником.

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки:

«Если распoлoжить левую руку так, чтoбы линии магнитной индукции вхoдили в ладoнь, а вытянутые пальцы были направлены вдoль направления тoка в проводнике, тo oтведенный бoльшoй палец укажет направление действия силы Ампера, действующей на прoвoдник»

Сила Лоренца.

Сила Ампера, действующая на отрезок проводника длиной Δl с силой тока I, находящийся в магнитном поле B,

F = IBΔl sin α

может быть выражена через силы, действующие на отдельные носители заряда.

I = q n υ S.

Выражение для силы Ампера можно записать в виде:

F = q n S Δl υB sin α.

Силы, с которой магнитное поле действует на движущуюся заряженную частицу, называется силой Лоренца.

Движение заряженной частицы в магнитном поле.

Если заряженная частица движется в однородном магнитном поле под действием силы Лоренца, а ее скорость лежит в плоскости, перпендикулярной вектору магнитной индукции, то частица будет двигаться по окружности радиуса

Сила Лоренца в этом случае играет роль центростремительной силы.

Круговое движение заряженной частицы в однородном магнитном поле

Период обращения частицы в однородном магнитном поле равен

Угловая скорость движения заряженной частицы по круговой траектории

называется циклотронной частотой. Циклотронная частота не зависит от скорости (следовательно, и от кинетической энергии) частицы. Это обстоятельство используется в циклотронах – ускорителях тяжелых частиц (протонов, ионов). Принципиальная схема циклотрона приведена на рисунке.

Движение заряженных частиц в вакуумной камере циклотрона.

Между полюсами сильного электромагнита помещается вакуумная камера, в которой находятся два электрода в виде полых металлических полуцилиндров (дуантов). К дуантам приложено переменное электрическое напряжение, частота которого равна циклотронной частоте. Заряженные частицы инжектируются в центре вакуумной камеры. Частицы ускоряются электрическим полем в промежутке между дуантами. Внутри дуантов частицы движутся под действием силы Лоренца по полуокружностям, радиус которых растет по мере увеличения энергии частиц. Каждый раз, когда частица пролетает через зазор между дуантами, она ускоряется электрическим полем. Таким образом, в циклотроне, как и во всех других ускорителях, заряженная частица ускоряется электрическим полем, а удерживается на траектории магнитным полем. Циклотроны позволяют ускорять протоны до энергии порядка 20 МэВ.

Однородные магнитные поля используются во многих приборах и, в частности, в масс-спектрометрах – устройствах, с помощью которых можно измерять массы заряженных частиц – ионов или ядер различных атомов. Масс-спектрометры используются для разделения изотопов, то есть ядер атомов с одинаковым зарядом, но разными массами (например, ²⁰Ne и ²²Ne). Ионы, вылетающие из источника S, проходят через несколько небольших отверстий, формирующих узкий пучок. Затем они попадают в селектор скоростей, в котором частицы движутся в скрещенных однородных электрическом и магнитном полях.

Обобщение и закрепление новых знаний.

Определите направление действия силы Ампера.

Определите направление действия силы Лоренца.

Подведение итогов.

Выставление оценок за урок в журнал.

Домашнее задание.

Сила Лоренца: формула, определение и направление

Наряду с силой Ампера, кулоновским взаимодействием, электромагнитными полями в физике часто встречается понятие силы Лоренца. Это явление является одним из фундаментальных в электротехнике и электронике, наряду с законом подвеса, электромагнитной индукцией Фарадея и другими. Он действует на заряды, движущиеся в магнитном поле. В этой статье мы кратко и наглядно рассмотрим, что такое сила Лоренца и где она применяется.

Определение
Как направлена сила Лоренца
Применение
Заключение

Определение

Когда электроны движутся вдоль проводника, вокруг него возникает магнитное поле. В то же время, если поместить проводник в поперечное магнитное поле и перемещать его, возникнет ЭДС электромагнитной индукции. Если по проводнику, находящемуся в магнитном поле, течет ток, на него действует сила Ампера.

Его значение зависит от протекающего тока, длины проводника, величины вектора магнитной индукции и синуса угла между линиями магнитного поля и проводником. Она рассчитывается по формуле:

Рассматриваемая сила несколько аналогична рассмотренной выше, но действует не на проводник, а на движущуюся заряженную частицу в магнитном поле. Формула:

Важно! На электрон, движущийся в магнитном поле, действует сила Лоренца (ФЛ), а на проводник — Ампер.

Из двух формул видно, что в первом и втором случаях чем ближе синус угла альфа к 90 градусам, тем больше влияние на проводник или заряд Fa или Fl соответственно.

Итак, сила Лоренца характеризуется не изменением величины скорости, а действием магнитного поля на заряженный электрон или положительный ион. При воздействии на них ФЛ не совершает работы. Соответственно, меняется именно направление скорости движения заряженной частицы, а не ее величина.

Что касается единицы измерения силы Лоренца, то, как и в случае с другими силами в физике, используется такая величина, как Ньютон. Его составляющие:

Как направлена сила Лоренца

Для определения направления силы Лоренца, как и с силой Ампера, работает правило левой руки. Это означает, что для того, чтобы понять, куда направлена величина Fl, нужно раскрыть ладонь левой руки так, чтобы линии магнитной индукции вошли в руку, а вытянутые четыре пальца указывали направление вектора скорости. Затем большой палец, согнутый под прямым углом к ладони, указывает направление силы Лоренца. На картинке ниже вы видите, как определить направление.

Внимание! Направление действия Лоренца перпендикулярно движению частицы и линиям магнитной индукции.

В то же время, если быть точнее, для положительно и отрицательно заряженных частиц имеет значение направление четырех вытянутых пальцев. Описанное выше правило левой руки сформулировано для положительной частицы. Если она заряжена отрицательно, то линии магнитной индукции должны быть направлены не на раскрытую ладонь, а на ее тыльную сторону, и направление вектора Fl будет быть противоположным.

Теперь расскажем простыми словами, что дает нам это явление и какое реальное влияние оно оказывает на заряды. Предположим, что электрон движется в плоскости, перпендикулярной направлению линий магнитной индукции. Мы уже упоминали, что Fl не влияет на скорость, а только меняет направление движения частиц. Тогда сила Лоренца будет иметь центростремительное действие. Это отражено на рисунке ниже.

Применение

Из всех областей, где используется сила Лоренца, одной из самых больших является движение частиц в магнитном поле Земли. Если рассматривать нашу планету как большой магнит, то частицы, находящиеся вблизи северных магнитных полюсов, совершают ускоренное движение по спирали. В результате этого они сталкиваются с атомами из верхних слоев атмосферы, и мы видим северное сияние.

Однако есть и другие случаи, когда это явление применимо. Например:

Электронно-лучевые трубки. В их электромагнитных системах отклонения. ЭЛТ используются уже более 50 лет подряд в различных устройствах, от простейшего осциллографа до телевизоров самых разных форм и размеров. Любопытно, что в вопросах цветопередачи и графики некоторые до сих пор используют ЭЛТ-мониторы.
Электромобили — генераторы и двигатели. Хотя здесь скорее действует сила Ампера. Но эти значения можно считать соседними. Однако это сложные устройства, при работе которых наблюдается влияние многих физических явлений.
В ускорителях заряженных частиц для придания им орбит и направлений.

Заключение

Подытожим и изложим четыре основных пункта этой статьи простым языком:

Сила Лоренца действует на заряженные частицы, которые движутся в магнитном поле. Это следует из основной формулы.
Прямо пропорциональна скорости заряженной частицы и магнитной индукции.
Не влияет на скорость частиц.
Влияет на направление частицы.

Его роль довольно велика в «электрических» областях. Специалист не должен упускать из виду основные теоретические сведения об основных физических законах. Эти знания пригодятся, а также тем, кто занимается научной работой, дизайном и просто для общего развития.

Напоследок рекомендуем посмотреть полезные видео для закрепления изученного материала:

Теперь вы знаете, что такое сила Лоренца, чему она равна и как действует на заряженные частицы. Если у вас есть вопросы, задавайте их в комментариях под статьей!

Материалы по теме:

Правило буравчика простыми словами
Что такое электрический заряд
Как перевести ампер в киловатт
Контактное сопротивление

Опубликовано: 19. 07.2018 Обновлено: 21.07.2018 Пока без коментариев

Магнитные поля: линии, направления и Лоренц

Магнитное поле — это часть пространства, в каждой точке которой действует сила. Эта сила исходит из источника, который может иметь различную природу. В случае магнитных полей они бывают электрическими или магнитными.

Линии магнитного поля

Когда вы поместите магнит под тонкую поверхность и бросите сверху металлические осколки, появится форма, подобная изображенной на рисунке 1. Причина этого в том, что, подобно стрелке компаса, каждый осколок выравнивается по линиям магнитного поля, создаваемого магнитом. Эти линии представляют векторы силы поля. Чем плотнее они в области пространства, тем сильнее поле в этой области.

Линии, создаваемые магнитом, воздействующим на частицы железа

Обратите внимание, что каждая линия представляет собой замкнутый контур, идущий от одного полюса к другому, и это свойство делает поле соленоидальным. Оно отличается от электрического поля отсутствием магнитного монополя и строго связано с ним тем, что магнитное и электрическое поля порождают друг друга посредством движения зарядов. Чтобы понять связь между этими двумя полями, мы должны рассмотреть силу Лоренца.

Направление магнитного поля: сила Лоренца

Рассмотрим электрическое поле, магнитное поле и электрически заряженную частицу, проходящую через них. На эту частицу будет действовать сила, зависящая от обоих полей и перпендикулярная магнитному полю. Эти три физические величины вместе всегда образуют упорядоченную тройку, подобную декартовой оси. Чтобы визуализировать эту связь, вы можете использовать правило левой руки Флеминга. Если двигаться против часовой стрелки, у вас есть два вектора и их векторное произведение соответственно.

Правило левой руки Флеминга говорит нам направление векторного произведения относительно направления векторов. Сила Лоренца F имеет направление векторного произведения между скоростью v и магнитным полем B.

Правило левой руки Флеминга, Камачо — StudySmarter Originals

Выражение для силы Лоренца: заряд, E — электрическое поле, v — скорость частицы, B — магнитное поле.

Применив это к силе Лоренца, она имеет направление большого пальца, когда скорость направлена вдоль среднего пальца, а магнитное поле параллельно указательному пальцу. Существует также полезное правило, называемое правилом правой руки, чтобы увидеть магнитное поле провода под напряжением, указав большим пальцем в направлении тока, в то время как другие пальцы, хватающие провод, представляют магнитное поле.

Магнитные поля: в чем разница между H и B?

При рассмотрении вакуума как области, где присутствует поле, примерно то же самое, что рассматривать напряженность магнитного поля или плотность потока магнитного поля, поскольку эти величины пропорциональны. Но внутри материала мы можем наблюдать разницу между ними. Поток — это часть поля, проходящая через поверхность каждую секунду.

Плотность магнитного потока

Термин магнитное поле используется для описания двух разных (но тесно связанных) величин. H — напряженность магнитного поля, а B — плотность магнитного потока. Эти величины в вакууме пропорциональны из-за проницаемости вакуума .

Вместо этого внутри материала намагниченность M вычитается из члена, вычисляющего поле B . Его еще называют плотность магнитного потока :

Намагниченность учитывает влияние магнитной поляризации в материале, концепция, двойственная по отношению к электрической поляризации и придающая симметрию формулам, описывающим электромагнитное поле.

Что такое электромагнитная индукция?

Электрические и магнитные поля генерируют друг друга, но как это происходит? Объяснением является электромагнитная индукция, явление, вызывающее генерацию тока в проводнике благодаря магнитному полю.

Создание электродвижущей силы с помощью магнитного поля (закон Фарадея)

Закон Ленца гласит, что (индуцируемое) магнитное поле, создаваемое индукционным током в материале внешним магнитным полем, противодействует этому последнему. Это имеет смысл, поскольку в противном случае магнитное поле внутри материала будет увеличиваться экспоненциально.

Фарадей изучал влияние магнитного поля на электрическую цепь и обнаружил, что перемещение магнита с цепью, погруженной в его поле, или перемещение магнита в петлю, образованную цепью, вызывает протекание тока в самой цепи . Причем этот ток пропорционален скорости движения, которая представлена производной по времени d / dt потока магнитного поля ΦB:

ЭДС здесь — электродвижущая сила, измеряемая в вольтах.

Магнитные поля: переменный ток

Изобретение, работающее по принципу индукции и использующее магнитное поле для генерации тока, представляет собой асинхронный двигатель, производящий переменный ток. Он состоит из магнитно заряженного якоря, называемого статором, который содержит подвижную часть, называемую ротором. Ротор подключен к цепи проводами, которые воспринимают магнитное поле, которое всегда направлено в одном направлении, но создает ток, который изменяется по мере движения ротора.

Создается переменный ток, который имеет синусоидальную форму волны и выражается в виде:

Движение медной катушки (в медном цвете) внутри магнита (слева) создает переменный во времени ток ( Правильно).

Следует отметить, что инвертируя функции статора и ротора в магнитном поле, генерирующем ток, вы получаете цепь, генерирующую механическое движение.

Магнитные поля: индуктивность и потокосцепление

Петли взаимодействуют с магнитным полем. Таким образом, элементом, который наследует это качество в электрической цепи, является индуктор. Чтобы понять, как это работает, давайте сделаем некоторые определения. Потокосцепление , которое в основном используется в инженерных приложениях, определяется как общий поток, проходящий через катушку. Это получается путем умножения магнитного потока на число контуров N:

Индуктивность, обозначаемая буквой L, определяется как магнитная связь объекта, деленная на ток, вызывающий этот поток:

Когда ток, вызывающий потокосцепление, также является током, соединяющим катушку (нет токов, внешних по отношению к катушке), это уравнение упрощается, так как больше нет необходимости в нижних индексах. Затем он получает название самоиндукции .

Представьте, что у вас есть катушка с 500 витками, через которую проходит ток 10А, создающий магнитное поле 10мВб. Какая ЭДС будет сгенерирована через 10 мс?

Используя обе формулы: L = 500 ⋅ 0,01Wb / 10A = 0,5H

Таким образом, ЭДС = 0,5 Гн ⋅ 10 А / 0,01 с = 500 В

Магнитные поля (только для A2) — ключевые выводы

Магнитное поле строго связано с электрическим полем. Они порождают друг друга и являются двумя сторонами одной и той же медали: электромагнитной силой.
Существует разница между H и B, когда поле приложено к материалу, в то время как в вакууме они имеют одинаковое значение.
Когда электромагнитное поле воздействует на движущуюся частицу, на частицу действует перпендикулярная сила, называемая силой Лоренца.
Явление индукции заставляет магнитное поле генерироваться электрическим полем.
Замечательными изобретениями, основанными на индукции, являются двигатель переменного тока или асинхронный двигатель и трансформатор.

Силы Ампера и Лоренца | Semantic Scholar

DOI:10.1016/0375-9601(85)

-0

Идентификатор корпуса: 123446131

 @article{Graneau1985AmpereAL,
  title={силы Ампера и Лоренца},
  автор={Питер Грано},
  журнал = {буквы по физике А},
  год = {1985},
  объем = {107},
  страницы = {235-237}
}

P. Graneau
Опубликовано 4 февраля 1985 г.
Физика
Письма по физике

Вид через издатель

о разнице между Lorentz и Ampere Force Laws в магнитостатике

1989

Автор рассматривает эквивалентность или различие двух возможных законов силы в магнитостатике для взаимодействующих частиц: законов силы Ампера и Лоренца. Он показывает, что эти двое…

Экспериментальное исследование необычного индукционного эффекта и его интерпретация как необходимого следствия веберовской электродинамики

Аннотация Магнитная составляющая силы Лоренца действует исключительно перпендикулярно направлению движения пробного заряда, тогда как электрическая составляющая не зависит от скорость…

Эквивалентность законов сил Ампера и Био-Савара в магнитостатике

К. Христодулидес
Физика
1987

Эквивалентность законов сил Ампера и Био-Савара в магнитостатике исследуется путем рассмотрения разницы в силах, предсказываемых этими двумя законами. Условия, при которых эта сила…

в формах Закона о силе для нынешних элементов

J. Strnad
Физика
1989

Сравнение Ампера, Закон Кулоны и Законодательство Лорента

Дж. О. Джонсон
Физика
2010

В этой статье описывается, как закон силы Ампера использовался для объяснения экспериментальных результатов экспериментов на мосту Ампера. Подробный вывод, основанный на статье Уэсли, готовится…

Электродинамика Вебера, часть I. Общая теория, эффекты постоянного тока

Дж. Уэсли
Физика
1990

Исходное действие Вебера на расстоянии Теория, действительная для медленно меняющихся эффектов, распространяется на поля с запаздыванием во времени, верная для быстро меняющихся эффектов, включая излучение. Новый закон силы…

Расширенное использование закона Кулона по отношению к установленным законам электромагнетизма Как только стали изучать электрические заряды в движении, появились новые своды законов…

По принципу Маха

А. Ассис
Физика
1989

Мы предлагаем постулат, что результирующая сила, действующая на любое тело, равна нулю. С помощью этого постулата и с помощью веберовского закона силы тяготения мы получаем уравнения движения и заключаем, что все… 2009

Обзор применения третьего закона Ньютона в физике

P. Cornille
Physics, Education
1999

SHOWING 1-8 OF 8 REFERENCES

Identity of the Ampere and Biot-Savart electromagnetic force laws

D. Jolly
Physics
1985

Первое указание на амперное напряжение в твердых электрических проводниках0159

P. Pappas
Физика
1983

Резюме Целью данной статьи является представление результатов очень простого эксперимента, который подтверждает исходную силу Ампера и однозначно опровергает силу относительности Био-Савара. или его…

История теорий эфира и электричества

Эдмунд Тейлор Уиттакер
Физика, образование
1910

Рынок: Физики, интересующиеся непрофессионалами, и историки. Этот обзор истории электродинамики дает представление о революционных достижениях физики в 19 веке.TH и…

Силы и частицы

A. Pippard
Физика
1972

Совместимость Ampère и Lorentz Force Laws с виртуальной работой.

1983

Резюме Всякий раз, когда необходимо рассчитать силы реакции между частями электрической цепи, например, при расчете рельсотронов, необходимо сделать выбор между тремя доступными формулами, которые имеют…

Новая теория электродинамики

Х. Грассманн
Физика
1845

Электромагнитное реактивное движение: нелоренцевские силы на течениях?

А. Хиллас
Физика
Природа
1983

22.10: Магнитная сила между двумя параллельными проводниками

Последнее обновление
Сохранить как PDF

Идентификатор страницы: 2704

OpenStax
OpenStax

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

Описывать эффекты магнитной силы между двумя проводниками.
Рассчитайте силу между двумя параллельными проводниками.

Можно ожидать, что между проводниками с током действуют значительные силы, поскольку обычные токи создают значительные магнитные поля, а эти поля воздействуют на обычные токи значительными силами. Но вы можете не ожидать, что сила между проводами используется для определения 90 539 ампера. Вы также можете удивиться, узнав, что эта сила как-то связана с тем, почему большие автоматические выключатели сгорают, когда они пытаются отключить большие токи.

Силу между двумя длинными прямыми и параллельными проводниками, разделенными расстоянием \(r\), можно найти, применяя то, что мы разработали в предыдущих разделах. На рисунке \(\PageIndex{1}\) показаны провода, их токи, поля, которые они создают, и последующие силы, которые они воздействуют друг на друга. Рассмотрим поле, создаваемое проводом 1, и силу, которую он оказывает на провод 2 (назовем силу \(F_{2}\)). Поле из-за \(I_{1}\) на расстоянии \(r\) равно

\[B_{1} = \frac{\mu_{0}I_{1}}{2\pi r}.\label{22.11.1}\]

Рисунок \(\PageIndex{1}\): (a) Магнитное поле, создаваемое длинным прямым проводником, перпендикулярно параллельному проводнику, как показано на RHR-2. (b) Вид сверху на два провода, показанных на (а), с одной линией магнитного поля, показанной для каждого провода.

RHR-1 показывает, что сила между параллельными проводниками притягивается, когда токи имеют одинаковое направление. Подобный анализ показывает, что сила отталкивающая между токами в противоположных направлениях.

Это поле однородно вдоль провода 2 и перпендикулярно ему, поэтому сила \(F_{2}\), действующая на провод 2, определяется выражением \(F = IlB sin\theta\) с \(sin \theta = 1\): \[F_{2} = I_{2}lB_{1}.\label{22.11.2}\] По третьему закону Ньютона силы на проводах равны по величине, поэтому мы просто пишем \ (F\) для величины \(F_{2}\). (Обратите внимание, что \(F_{1} = -F_{2}\).) Поскольку провода очень длинные, удобно думать в терминах \(F/l\), сила на единицу длины. Подстановка выражения для \(B_{1}\) в последнее уравнение и перестановка членов дает

\[\frac{F}{l} = \frac{\mu_{0}I_{1}I_{2}}{2\pi r}.\label{22.11.3}\]

\(F/l\) сила на единицу длины между двумя параллельными токами \(I_{1}\) и \(I_{2}\), разделенными расстоянием \(r\). Сила притяжения, если токи имеют одинаковое направление, и отталкивания, если они направлены в противоположные стороны.

Эта сила отвечает за пинч-эффект в электрических дугах и плазме. Сила существует независимо от того, есть ли токи в проводах или нет. В электрической дуге, где токи движутся параллельно друг другу, существует притяжение, которое сжимает токи в трубку меньшего размера. В больших автоматических выключателях, таких как те, которые используются в системах распределения электроэнергии по соседству, эффект защемления может концентрировать дугу между пластинами выключателя, пытаясь отключить большой ток, прожечь дыры и даже зажечь оборудование. Другой пример пинч-эффекта можно найти в солнечной плазме, где струи ионизированного материала, такие как солнечные вспышки, формируются под действием магнитных сил. 9{-7} Н/м\) на каждом проводе.

Прямые провода бесконечной длины непрактичны, поэтому на практике баланс токов строится с помощью витков провода, разделенных несколькими сантиметрами. Сила измеряется для определения силы тока. Это также дает нам метод измерения кулона. Измеряем заряд, протекающий при токе в один ампер за одну секунду. То есть \(1 C = 1 A \cdot s\). Как для ампера, так и для кулона метод измерения силы между проводниками является наиболее точным на практике.

Сила между двумя параллельными токами \(I_{1}\) и \(I_{2}\), разделенными расстоянием \(r\), имеет величину на единицу длины, определяемую \[\frac{F} {l} = \frac{\mu_{0}I_{1}I_{2}}{2\pi r}.\]
Сила притяжения, если токи имеют одинаковое направление, и отталкивания, если они направлены в противоположные стороны.

Наверх

Была ли эта статья полезной?

Тип изделия
Раздел или страница
Автор
ОпенСтакс
Лицензия
СС BY
Версия лицензии
4,0
Программа OER или Publisher
ОпенСтакс
Показать оглавление
нет
Метки
1. Магнитная сила
2. параллельные проводники

Магнитная сила на движущийся электрический заряд | безграничная физика |

Величина магнитной силы

Магнитная сила, действующая на заряженную частицу q, движущуюся в магнитном поле B со скоростью v (под углом θ к B), равна

F=qvBsin(θ)\text{F}=\text{qvBsin}(\theta )F=qvBsin(θ)

Цели обучения

Ключевые выводы

Ключевые моменты

Магнитные поля воздействуют на движущиеся заряженные частицы.
Направление магнитной силы
F\text{F}F
перпендикулярно плоскости, образованной
v\text{v}v
и
B\text{B}B
, как определено правой рукой правило.
Единица СИ для величины напряженности магнитного поля называется тесла (Тл), что эквивалентно одному ньютону на амперметр. Иногда меньшая единица гаусс (10 ^-4 T).
Когда выражение для магнитной силы объединяется с выражением для электрической силы, объединенное выражение известно как сила Лоренца.

Ключевые термины

Сила Кулона : электростатическая сила между двумя зарядами, как описано законом Кулона
магнитное поле : Состояние в пространстве вокруг магнита или электрического тока, в котором присутствует определяемая магнитная сила и где присутствуют два магнитных полюса.
тесла : В Международной системе единиц производная единица плотности магнитного потока или магнитной индуктивности. Символ: Т

Величина магнитной силы

Как один магнит притягивает другой? Ответ основан на том факте, что весь магнетизм основан на токе, потоке заряда. Магнитные поля воздействуют на движущиеся заряды , и поэтому они воздействуют на другие магниты, все из которых имеют движущиеся заряды.

Магнитная сила, действующая на движущийся заряд, является одной из самых фундаментальных известных. Магнитная сила так же важна, как электростатическая или кулоновская сила. И все же магнитная сила более сложна как по количеству воздействующих на нее факторов, так и по своему направлению, чем относительно простая кулоновская сила. Величина магнитной силы

F\text{F}F

на заряде

q\text{q}q

движущемся со скоростью

v\text{v}v

в магнитном поле напряженностью

B\ text{B}B

определяется как:

F=qvBsin(θ)\text{F}=\text{qvBsin}(\theta )F=qvBsin(θ)

, где θ — угол между направления

v\text{v}v

B\text{B}B

. Эта формула используется для определения магнитной силы

B\text{B}B

через силу, действующую на заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле. Единица СИ для величины напряженности магнитного поля называется тесла (Тл) в честь блестящего и эксцентричного изобретателя Николы Теслы (1856–1943), который внес большой вклад в наше понимание магнитных полей и их практического применения. Чтобы определить, как тесла относится к другим единицам СИ, мы решаем

F=qvBsin(θ)\text{F}=\text{qvBsin}(\theta )F=qvBsin(θ)

для

B \ text {B} B

B = Fqvsin (θ) \ text {B} = \ frac {\ text {F}} {\ text {qvsin} (\ theta)} B=qvsin(θ)F

Поскольку sin θ безразмерно, то тесла равен

1T=1NC∗м/с=1NA∗m1\text{T} = \frac{1\text{N}} {\text{C}*\text{m}/\text{s}} = \frac{1\text{N}}{\text{A}*\text{m}}1T=C*m/s1N =A∗m1N

Иногда используется другая меньшая единица измерения, называемая гауссом (G), где 1G=10 ⁻⁴ Тл. Самые сильные постоянные магниты имеют поля около 2 Тл; сверхпроводящие электромагниты могут достигать 10 Тл и более. Магнитное поле Земли на ее поверхности составляет всего около 5×10 ⁻⁵ Тл или 0,5 Гс.

B\text{B}B

согласно правилу правой руки, показанному на рис. правая рука в направлении

v\text{v}v

, пальцы в направлении

B\text{B}B

, а перпендикуляр к ладони указывает в направлении

F\text{F}F

. Один из способов запомнить это состоит в том, что существует одна скорость, и поэтому ее представляет большой палец. Есть много линий поля, поэтому пальцы представляют их. Сила направлена в том направлении, куда вы бы толкнули ладонью. Сила, действующая на отрицательный заряд, направлена прямо противоположно силе на положительном заряде.

Правило правой руки : Магнитные поля воздействуют на движущиеся заряды. Эта сила является одной из самых основных известных. Направление магнитной силы на движущийся заряд перпендикулярно плоскости, образованной v и B, и следует правилу правой руки-1 (RHR-1), как показано. Величина силы пропорциональна q, v, B и синусу угла между v и B.

Направление магнитной силы: правило правой руки

Правило правой руки используется для определения направления магнитной силы на положительном заряде.

Цели обучения

Применение правила правой руки для определения направления магнитной силы на заряде

Ключевые выводы

Ключевые положения

скорость частицы v и магнитная сила, действующая на частицу F. Все эти векторы перпендикулярны друг другу.
Правило правой руки гласит, что для нахождения направления магнитной силы на положительно движущемся заряде большой палец правой руки указывает в направлении v, остальные — в направлении B, а сила (F) равна направлен перпендикулярно ладони правой руки.
Направление силы F, действующей на отрицательный заряд, противоположно указанному выше (то есть направлено от тыльной стороны ладони).

Ключевые термины

Правило правой руки : Направление угловой скорости ω и углового момента L, в котором большой палец правой руки указывает, когда вы сгибаете пальцы в направлении вращения.

Направление магнитной силы: правило правой руки

До сих пор мы описывали величину магнитной силы, действующей на движущийся электрический заряд, но не направление. Магнитное поле является векторным полем, поэтому приложенная сила будет ориентирована в определенном направлении. Есть хитрый способ определить это направление, используя только правую руку. Направление магнитной силы F перпендикулярен плоскости, образованной v и B , как определено правилом правой руки, которое показано на рисунке выше. Правило правой руки гласит: чтобы определить направление магнитной силы на положительно движущемся заряде ƒ, направьте большой палец правой руки в направлении v , остальные пальцы в направлении B , а перпендикулярно ладони указывает в направлении F .

Один из способов запомнить это состоит в том, что есть одна скорость, представленная большим пальцем. Есть много линий поля, представленных соответственно пальцами. Сила направлена в том направлении, куда вы бы толкнули ладонью. Сила, действующая на отрицательный заряд, направлена прямо противоположно силе на положительном заряде. Поскольку сила всегда перпендикулярна вектору скорости, чистое магнитное поле не будет ускорять заряженную частицу в одном направлении, однако вызовет круговое или спиральное движение (концепция более подробно рассматривается в следующих разделах). Важно отметить, что магнитное поле не будет воздействовать на статический электрический заряд. Эти два наблюдения согласуются с правилом, согласно которому магнитные поля не действуют .

Силы Лоренца и проигрыш в Сосновом Дерби

Это баааак!

Чуть больше года назад моя компания организовала дерби в сосновом лесу. Для тех из вас, кто не знаком с форматом, это соревнование, в котором дети (или, скажем прямо, их родители) делают маленькие деревянные машинки, которые мчатся по трассе, пытаясь увидеть, чья машина самая быстрая. Для мероприятия моей компании мы отказываемся от притворства и просто позволяем взрослым соревноваться вместе со своими детьми.

Для этого типа гонок существует множество правил, включая максимальные размеры и вес автомобилей и даже разрешенные типы материалов (видимо, нельзя смазывать колеса графитом. Серьезно, когда это стало правилом?) . Я не уверен, прямо ли это указано в правилах, но есть своего рода понимание того, что любой двигатель, установленный на машине, дисквалифицирует ее. Так что мой прошлогодний линейный асинхронный двигатель, скорее всего, был бы дисквалифицирован, если бы он. .. ну, знаете… работал.

Все равно выглядело круто!

В этом году я хотел попытаться больше соответствовать правилам. Вместо того, чтобы использовать тот факт, что гусеница сделана из цветного, но хорошо проводящего алюминия, чтобы продвигать мою машину вперед, почему бы просто не подтолкнуть машину вверх?

Я пошутил об этом на Reddit вскоре после прошлогодней гонки:

И… не могли бы вы взглянуть на это!? Гонка состоялась 21 октября!

Через год после прибытия Марти в очень красочном изображении прошлого будущего.

Итак, делориан может быть немного изношенным, почему бы не сделать ховерборд?

Нет, я имею в виду настоящего…

Ага! Как тот!

Теперь я пойду вперед и испорчу это для вас; У меня никогда не работала эта конструкция. Тем не менее, было все еще интересно просмотреть некоторые старые теории электромагнетизма, и если вам интересно, как работают левитирующие электромагниты, вам может понравиться этот пост.

Когда я начал исследования для этого проекта, я был очень удивлен тем, как мало информации я мог найти в Интернете, которая не была ни мнением случайного пользователя форума, ни платным доступом в каком-то университете. Я надеялся, что, опубликовав все, что я выяснил, в одном месте, я смогу облегчить поиск следующего парня.

Если вы видите явные пробелы в моих знаниях или думаете о каких-либо корректировках, которые я должен внести в дизайн, я буду рад услышать о них! Просто оставьте комментарий или напишите мне по электронной почте.

Техническое название того, чего я пытался добиться, — электродинамическая подвеска. В отличие от вашего типичного поезда на магнитной подвеске или сладкого плавающего верха:

, в которых для создания отталкивающей силы требуются постоянные магниты, для динамической подвески с электроприводом требуются только проводники, и она использует магнитные поля от наведенных токов для создания отталкивания.

Понимание этого явления требует элементарного понимания закона Ампера, закона Фарадея и сил Лоренца.

Закон Ампера

Закон Ампера связывает величину и направление магнитного поля в области вокруг движущихся электрических зарядов со скоростью их движения. Проще говоря, когда заряды движутся по проводу (в направлении стрелки), он создает магнитное поле вокруг этого провода, как показано ниже.

Поскольку такие трехмерные диаграммы могут быть сложными для рисования, существует соглашение, согласно которому элементы, выходящие за пределы страницы, изображаются в виде круга и точки, а элементы, входящие на страницу, в виде буквы X, как показано на двух нижних рисунках та же сцена.

Соотношение между направлением тока и направлением магнитных полей имеет важное значение. Используемое соглашение — это «правило правой руки», которое в данном случае гласит, что если вы поместите большой палец правой руки вдоль пути тока и согните пальцы. Ваши пальцы согнутся в направлении генерируемого магнитного поля.

Закон Фарадея

Закон Фарадея (или, точнее, закон индукции Фарадея) гласит, что изменяющееся магнитное поле будет генерировать «электродвижущую силу» (ЭДС), которая будет «противостоять» изменяющемуся полю. Эта сила будет пытаться перемещать заряды в направлении, создающем магнитное поле (в соответствии с законом Ампера), которое компенсирует изменяющееся магнитное поле.

Это важно для нашего ховерборда по двум причинам. Во-первых, когда переменное магнитное поле проходит через петлю провода, оно генерирует ток в этом проводе:

Здесь мы перешли от отсутствия магнитного поля в нашей петле к нисходящему магнитному полю. В результате в петле течет ток, индуцированный изменяющимся полем, которое создает свое собственное противоположное магнитное поле. Обратите внимание, что эти токи не идут в том направлении, которое вы ожидаете от закона Ампера. Это потому, что ток не генерирует магнитное поле, магнитное поле генерирует ЭДС, которая генерирует ток.

В этом примере у нас есть внешний магнит, создающий изменяющееся магнитное поле, но помните, как катушка создает магнитное поле, когда через нее проходит ток? Вероятно, вы можете представить себе такой сценарий:

В этом дудле мы пропускаем увеличивающийся ток через проволочную петлю, и закон Ампера создает увеличивающееся магнитное поле. Используя правило правой руки, вы можете увидеть, как магнитное поле вокруг провода сгруппировано посередине. Это ужасно похоже на пример с законом Фарадея, верно? Это потому, что это так.

Согласно закону Фарадея, это изменяющееся магнитное поле в контуре будет генерировать ЭДС, направленную против нарастающего тока, чтобы «бороться» с нарастающим магнитным полем. В результате эта проволочная петля будет сопротивляться любому изменению тока через нее. Мы называем такое устройство «индуктором».

Мера катушки индуктивности называется «индуктивностью» и определяет скорость изменения тока в зависимости от величины приложенного напряжения. Связь следующая:

где представляет скорость изменения тока. Другими словами, чем выше индуктивность, тем медленнее будет изменяться ток при подаче напряжения.

Технически любой кусок провода имеет индуктивность и может считаться катушкой индуктивности, но обычно мы сгибаем провода в петли, чтобы сделать катушку индуктивности. Это делается по двум причинам. Во-первых, петля помогает сфокусировать магнитные поля через центр, а в центр можно поместить специальные материалы, которые увеличивают величину магнитного поля, которую вы получаете при той же величине тока.

Во-вторых, когда вы создаете несколько витков в одном проводе и соединяете их вместе, индуктивность увеличивается как 90 538 квадрат 90 539 числа витков. Другими словами, переход от одной петли к двум увеличивает вашу индуктивность в четыре раза.

Это потому, что вы получаете двойной провал на каждом ампере тока.

Закон Ампера связывает ток в проводе с магнитным полем, но, когда ваши провода плотно связаны друг с другом, он выглядит как один толстый провод с удвоенным током. С двойными петлями вы получите двойное магнитное поле.

На фарадеевской стороне каждый виток провода «видит» удвоенное магнитное поле и будет генерировать удвоенное количество ЭДС, чтобы бороться с изменением тока. Поскольку эти петли соединены последовательно, эти ЭДС складываются, и поэтому вы получаете удвоенную ЭДС, которая работает в четыре раза больше.

Силы Лоренца

Наконец, у нас есть силы Лоренца. При воздействии магнитного поля на движущиеся электрические заряды действует сила. Именно это явление притягивает заряженные частицы Солнца к магнитным полюсам Земли и создает Северное сияние, а также то, что позволяет телевизорам с электронно-лучевой трубкой использовать магниты для отклонения электронных лучей для рисовки изображения на фосфоресцирующей поверхности экрана телевизора.

В частности, сила, действующая на заряженную частицу, снова подчиняется правилу правой руки. Ниже мы видим заряд, движущийся вправо через магнитное поле, направленное вниз, на страницу. Если вы укажете пальцами в направлении движения заряда и согните их в направлении магнитного поля, сила на заряде будет направлена вдоль большого пальца. Здесь эта сила представлена зеленым цветом.

Из-за этой силы заряд будет двигаться по круговой траектории, отмеченной серым цветом.

Одна интересная особенность этого закона заключается в том, что два параллельных провода с током, текущим в противоположных направлениях, будут отталкиваться друг от друга, как показано здесь:

Сила ампера, сила лоренца.

Теория к заданию №13 ЕГЭ по физике

Электрический заряд

Закон Ампера

Разбор типовых вариантов заданий №13 ЕГЭ по физике

Демонстрационный вариант 2018

Алгоритм решения:

Решение:

Первый вариант задания (Демидова, №1)

Алгоритм решения:

Решение:

Второй вариант задания (Демидова, №7)

Алгоритм решения:

Решение:

Третий вариант задания (Демидова, №25)

Алгоритм решения:

Решение:

Сила лоренца какой раздел физики. Сила лоренца в магнитном поле

Определение

Как направлена сила Лоренца

Применение

Заключение

Применение силы Лоренца.

Решение задач по теме «Сила Ампера»

15. Магнитное поле в вакууме. Взаимодействие токов. Сила Ампера. Сила Лоренца.

Сила Лоренца

Сила Ампера. Сила Лоренца.

Сила Лоренца: формула, определение и направление

Определение

Как направлена ​​сила Лоренца

Применение

Заключение

Магнитные поля: линии, направления и Лоренц

Линии магнитного поля

Направление магнитного поля: сила Лоренца

Магнитные поля: в чем разница между H и B?

Плотность магнитного потока

Что такое электромагнитная индукция?

Создание электродвижущей силы с помощью магнитного поля (закон Фарадея)

Магнитные поля: переменный ток

Магнитные поля: индуктивность и потокосцепление

Магнитные поля (только для A2) — ключевые выводы

Силы Ампера и Лоренца | Semantic Scholar

о разнице между Lorentz и Ampere Force Laws в магнитостатике

Экспериментальное исследование необычного индукционного эффекта и его интерпретация как необходимого следствия веберовской электродинамики

Эквивалентность законов сил Ампера и Био-Савара в магнитостатике

в формах Закона о силе для нынешних элементов

Сравнение Ампера, Закон Кулоны и Законодательство Лорента

Электродинамика Вебера, часть I. Общая теория, эффекты постоянного тока

По принципу Маха

Обзор применения третьего закона Ньютона в физике

Identity of the Ampere and Biot-Savart electromagnetic force laws

Первое указание на амперное напряжение в твердых электрических проводниках0159

История теорий эфира и электричества

Силы и частицы

Совместимость Ampère и Lorentz Force Laws с виртуальной работой.

Новая теория электродинамики

Электромагнитное реактивное движение: нелоренцевские силы на течениях?

22.10: Магнитная сила между двумя параллельными проводниками

Магнитная сила на движущийся электрический заряд | безграничная физика |

Величина магнитной силы

Цели обучения

Ключевые выводы

Ключевые моменты

Ключевые термины

Величина магнитной силы

Направление магнитной силы: правило правой руки

Цели обучения

Ключевые выводы

Ключевые положения

Ключевые термины

Направление магнитной силы: правило правой руки

Силы Лоренца и проигрыш в Сосновом Дерби

Закон Ампера

Закон Фарадея

Силы Лоренца

alexxlab

Добавить комментарий Отменить ответ

Рубрики

Как направлена сила Лоренца