Элеком37, Сила Ампера, Сила Лоренца. Физика.
Сила Ампера. Сила Лоренца.
Сила Ампера.
Заряженные тела способны создавать кроме электрического еще один вид поля. Если заряды движутся, то в пространстве вокруг них создается особый вид материи, называемый магнитным полем. Следовательно, электрический ток, представляющий собой упорядоченное движение зарядов, тоже создает магнитное поле. Как и электрическое поле, магнитное поле не ограничено в пространстве, распространяется очень быстро, но все же с конечной скоростью. Его можно обнаружить только по действию на движущиеся заряженные тела (и, как следствие, токи).
Для описания магнитного поля необходимо ввести силовую характеристику поля, аналогичную вектору напряженности E электрического поля. Такой характеристикой является вектор B магнитной индукции.
В системе единиц СИ за единицу магнитной индукции принят 1 Тесла (Тл). Если в магнитное поле с индукцией B поместить проводник длиной l с током I, то на него будет действовать сила, называемая
где: В – индукция магнитного поля, I – сила тока в проводнике, l – его длина. Сила Ампера направлена перпендикулярно вектору магнитной индукции и направлению тока, текущего по проводнику.
Для определения направления силы Ампера обычно используют правило «Левой руки»: если расположить левую руку так, чтобы линии индукции входили в ладонь, а вытянутые пальцы были направлены вдоль тока, то отведенный большой палец укажет направление силы Ампера, действующей на проводник (см. рисунок).
Если угол α между направлениями вектора магнитной индукции и тока в проводнике отличен от 90°, то для определения направления силы Ампера надо взять составляющую магнитного поля, которая перпендикулярна направлению тока. Решать задачи этой темы нужно так же как и в динамике или статике, т.е. расписав силы по осям координат или складывая силы по правилам сложения векторов.
Момент сил, действующих на рамку с током
Пусть рамка с током находится в магнитном поле, причём плоскость рамки перпендикулярна полю. Силы Ампера будут сжимать рамку, а их равнодействующая будет равна нулю. Если поменять направление тока, то силы Ампера поменяют своё направление, и рамка будет не сжиматься, а растягиваться. Если линии магнитной индукции лежат в плоскости рамки, то возникает вращательный момент сил Ампера. Вращательный момент сил Ампера равен:
где: S — площадь рамки, α — угол между нормалью к рамке и вектором магнитной индукции (нормаль — вектор, перпендикулярный плоскости рамки), N – количество витков, B – индукция магнитного поля, I – сила тока в рамке.
Сила Лоренца.
Сила Ампера, действующая на отрезок проводника длиной Δl с силой тока I, находящийся в магнитном поле B может быть выражена через силы, действующие на отдельные носители заряда. Эти силы называют силами Лоренца. Сила Лоренца, действующая на частицу с зарядом q в магнитном поле B, двигающуюся со скоростью v, вычисляется по следующей формуле:
Угол α в этом выражении равен углу между скоростью и вектором магнитной индукции. Направление силы Лоренца, действующей на
Сила Лоренца направлена перпендикулярно векторам скорости и индукции магнитного поля. При движении заряженной частицы в магнитном поле
Сила Лоренца в этом случае играет роль центростремительной силы. Период обращения частицы в однородном магнитном поле равен:
Последнее выражение показывает, что для заряженных частиц заданной массы m период обращения (а значит и частота, и угловая скорость) не зависит от скорости (следовательно, и от кинетической энергии) и радиуса траектории R.
Другие стаьи по теме «Электричество»
Самостоятельная работа по теме «Сила Ампера. Сила Лоренца»
Самостоятельная работа по теме «Сила Ампера. Сила Лоренца»
Вариант 1.
1. В магнитном поле находится проводник с током (рис. 25). Каково направление силы Ампера, действующей на проводник?
А. От читателя. Б. К читателю. В. Равна нулю.
2. Прямолинейный проводник длиной 10 см находится в однородном магнитном поле с индукцией 4 Тл и расположен под углом 30° к вектору магнитной индукции. Чему равна сила, действующая на проводник со стороны магнитного поля, если сила тока в проводнике 3 А?
3. В магнитном поле с индукцией 5 Тл движется электрон со скоростью 104 м/с, направленной перпендикулярно линиям индукции магнитного поля. Чему равен модуль силы, действующей на электрон со стороны магнитного поля?
4. На рисунке 77 показано сечение проводника с током. Электрический ток направлен перпендикулярно плоскости рисунка. В каком случае правильно указано направление линий индукции магнитного поля, созданного этим током?
1) рис А 2) рис Б 3) нет правильного ответа
5. В какую сторону отклоняется протон под действием магнитного поля (рис. 29)?
A. Влево. Б. Вправо. B. Вверх.
6. Во всех вариантах определите направление силы Ампера.
A. Влево. Б. Вправо. B. Вверх. Г. От читателя. Д. К читателю. Е. Равна нулю. Ж) вниз
7. Во всех вариантах определите направление силы Лоренца
A. Влево. Б. Вправо. B. Вверх. Г. От читателя. Д. К читателю. Е. Равна нулю. Ж) вниз
Самостоятельная работа по теме «Сила Ампера. Сила Лоренца»
Вариант 2.
1.В магнитном поле находится проводник с током (рис. 28). Каково направление силы Ампера, действующей на проводник?
А. От читателя. Б. К читателю. В. Равна нулю.
2. Прямолинейный проводник длиной 5 см находится в однородном магнитном поле с индукцией 5 Тл и расположен под углом 30° к вектору магнитной индукции. Чему равна сила, действующая на проводник со стороны магнитного поля, если сила тока в проводнике 2 А?Рис. №2
3. Определите направление силы. Рис. №2
А → Б. ↓ В. ← Г. ↑
4. В какую сторону отклоняется электрон под действием магнитного поля (рис. 30)?
А. Влево. Б. Вправо. В. Вверх.
5. В магнитном поле с индукцией 5 Тл движется электрон со скоростью 104 м/с, направленной перпендикулярно линиям индукции магнитного поля. Чему равен модуль силы, действующей на электрон со стороны магнитного поля?
6. Во всех четырех вариантах определите направление силы Ампера
A. Влево. Б. Вправо. B. Вверх. Г. От читателя. Д. К читателю. Е. Равна нулю. Ж) вниз
7. Во всех вариантах определите направление силы Лоренца
A. Влево. Б. Вправо. B. Вверх. Г. От читателя. Д. К читателю. Е. Равна нулю. Ж) вниз
Открытая Физика. 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
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 FЛ = q υ B sin α.
Эту силу называют силой Лоренца. Угол α в этом выражении равен углу между скоростью υ→ и вектором магнитной индукции B→. 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 υ→, B→ и F→Л для положительно заряженной частицы показано на рис. 1.18.1.
Сила Лоренца направлена перпендикулярно векторам υ→ и B→.
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 υ→ лежит в плоскости, перпендикулярной вектору B→, то частица будет двигаться по окружности радиуса R=mυqB.
Сила Лоренца в этом случае играет роль центростремительной силы (рис. 1.18.2).
Период обращения частицы в однородном магнитном поле равен T=2πRυ=2πmqB.
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 ω=υR=υqBmυ=qBm 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.
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 υ→ заряженных частиц направлена перпендикулярно векторам E→ и B→.
На частицу, движущуюся в скрещенных электрическом и магнитном полях, действуют электрическая сила qE→ 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 B→’. 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.
Если скорость частицы υ→ имеет составляющую υ→|| 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 υ→, а шаг спирали l – от модуля продольной составляющей υ|| (рис. 1.18.5).
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).
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 южный магнитный полюс Земли находится вблизи северного географического полюса (на северо-западе Гренландии). Природа земного магнетизма до сих пор не изучена.
Высшее образование БГПУ
Сила Ампера. Сила взаимодействия параллельных токов. Контур с то-ком в магнитном поле. Магнитный момент тока. Действие электриче-ского и магнитного полей на движущиеся заряды. Сила Лоренца. Опре-деление удельного заряда электрона. Эффект Холла и его применение. Принцип работы магнитогидродинамических генераторов.
20.1. Сила Ампера. Взаимодействие параллельных токовПри исследовании действия магнитного поля на расположенный в нем прямолинейный проводник с током французский физик А.Ампер пришел к выводу, что модуль этой силы можно рассчитать по формуле
. (20.1)
Позднее эта сила была названа силой Ампера, а формула – законом Ампера. Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки: если левую руку расположить так, чтобы нормальная к проводнику составляющая B┴ вектора индукции магнитного поля B входила в ладонь, четыре вытянутых пальца были направлены по току, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера, которая действует на проводник с током (рис.20.1).
Рис. 20.1
На основе закона Ампера можно объяснить взаимодействие параллельных проводников с током (рис.20.2).
Рис. 20.2
Ток I1 создает в месте расположения проводника с током I2 магнитное поле B1, которое действует на ток I2 с силой F12=B1I2l. Ток I2 в свою очередь также создает магнитное поле, индукция которого в месте расположения проводника с током I1 равна B2. Это поле действует на ток I1 с силой F21=B2I1l. Силы F12 и F21 находятся в одной плоскости с проводниками и являются силами притяжения, если токи направлены в одну сторону, и силами отталкивания, если токи направлены в противоположные стороны (рис.20.2).
Если расстояние между проводниками равно d, то индукция магнитного поля, созданного током I1 в тех точках пространства, где находится второй проводник,
. (20.2)
Соответственно индукция магнитного поля, созданного током I2 в тех точках пространства, где расположен первый проводник,
. (20.3)
Таким образом, для проводников длиной l:
. (20.4)
Если проводники находятся в вакууме (μ=1) на расстоянии d=1 м м и токи в них одинаковые и равны единице, то сила взаимодействия между участками проводников длиной по 1 м F0=μ0/2π=2·10–7 Н. Эта формула используется для определения единицы силы тока – ампера – в СИ.
20.2. Контур с током в магнитном полеПоместим замкнутый контур с током в однородное магнитное поле. Пусть плоскость контура перпендикулярна линиям индукции поля. Если разделить контур на элементы dl, то на каждый из них действует сила dF=IBdl, которая лежит в плоскости контура и направлена к его центру (рис.20.3).
Рис. 20.3
Если изменить направление тока на противоположное, то сила dF будет направлена в противоположную сторону (рис.20.4).
Рис. 20.4
Значит, силы, которые действуют на замкнутый контур с током в однородном перпендикулярном магнитном поле, могут только деформировать его (растянуть или сжать). Перемещение контура при этом не происходит.
Если расположить контур параллельно направлению линий магнитной индукции (рис.20.5), то на контур будет действовать вращательный момент сил M. Под действием этого момента контур поворачивается так, чтобы его плоскость стала перпендикулярной линиям магнитной индукции.
Рис. 20.5
Определим величину вращательного момента. Для этого разделим контур на малые элементы Δl. Выделим два элемента Δl1 и Δl2, заключенные между двумя параллельными линиями магнитной индукции, отстоящими друг от друга на расстоянии Δh. На эти элементы со стороны поля действуют силы ΔF1 и ΔF2, направленные соответственно перпендикулярно плоскости контура «от нас» и «к нам». Модули этих сил равны: ΔF1=IBΔl1sinα1 и ΔF2=IBΔl2sinα2. Если учесть, что Δl1sinα1=Δh, а Δl2sinα2=Δh, то очевидно, что эти силы равны по модулю и направлены в противоположные стороны. Они образуют пару сил, момент которой ΔM=ΔFx=IBΔhx=IBΔS, где x – среднее расстояние между элементами Δl1 и Δl2, ΔS=Δhx – площадь, ограниченная линиями магнитной индукции и элементами контура Δl1 и Δl2. Очевидно, что весь контур состоит из суммы всех пар элементов. Поэтому суммарный момент действующий на контур, равен
.
Если контур расположен в магнитном поле так, что угол между его нормалью n и вектором магнитной индукции B поля равен β, то под действием проекции вектора B на нормаль к контуру равную B┴=Bcosβ контур будет растягиваться (сжиматься), а под действием проекции B на плоскость контура Bsinβ – поворачиваться.
Поэтому в общем случае формула расчета вращательного момента имеет вид:
. (20.5)
Как уже отмечалось, величину pm=IS называют магнитным моментом контура с током. Это величина векторная, и она совпадает по направлению с единичным вектором нормали n: pm=ISn. Тогда формулу (20.5) можно записать в векторном виде:
. (20.6)
Если контур с током поместить в неоднородное магнитное поле, то кроме ориентирующего действия вращательного момента на контур будет действовать сила f в направлении возрастания магнитного поля (рис.20.6).
g
Рис. 20.6
Эта сила является равнодействующей всех сил dF┴ на каждый элемент тока со стороны составляющей поля B║. Расчет показывает, что модуль силы, которая действует на весь контур, равен:
, (20.7)
где α – угол между векторами pm и B; – градиент индукции магнитного поля.
20.3. Сила ЛоренцаКак уже отмечалось, на проводник с током, который находится в магнитном поле, действует сила Ампера FA=IBlsinα. Поскольку ток представляет упорядоченное движение свободных электрических зарядов, то это означает, что магнитное поле действует на каждый из этих зарядов. Сила, действующая на заряд, который движется в магнитном поле, называется силой Лоренца. Х.Лоренц (1853–1928), нидерландский физик, создатель классической электронной теории.
Если учесть, что сила тока в проводнике
,
где q – заряд носителей тока; n – концентрация носителей тока; υ – скорость их упорядоченного движения; S – площадь поперечного сечения проводника, то формула (20.1) примет вид:
.
Силу Лоренца можно выразить, как
,
где N – общее количество носителей тока в проводнике (N=nV=nSl). С учетом того, что Sl=V (V – объем проводника):
, (20.8)
где α – угол между направлением вектора индукции магнитного поля и направлением вектора скорости движения положительного заряда. Направление силы Лоренца, как и силы Ампера, также определяется по правилу левой руки.
20.4. Определение удельного заряда электронаПод действием силы Лоренца частицы, обладающие электрическим зарядом, движутся в магнитном поле по криволинейным траекториям. Причем если скорость частицы υ ┴ B, то траектория ее движения в магнитном поле представляет окружность (рис.20.7).
Рис. 20.7
Определив радиус этой окружности, скорость частицы и величину индукции магнитного поля, можно рассчитать удельный заряд этой частицы. Этот метод используется для определения удельного заряда электрона.
Так, ввиду малости величины силы тяжести, действующей на электрон, движущийся в перпендикулярном магнитном поле, можно записать в соответствии со вторым законом Ньютона:
или ,
откуда радиус окружности равен
,
а удельный заряд электрона:
. (20.9)
Для определения скорости необходимо знать ускоряющую разность потенциалов электрического поля. Известно, что на заряженную частицу со стороны электрического поля действует сила
,
где q – заряд частицы, E – напряженность электрического поля. Если скорость частицы υ<<c и электрическое поле является однородным, то она будет двигаться в поле с постоянным ускорением.
Если скорость частицы в момент включения электрического поля равна нулю, то изменение ее кинетической энергии происходит за счет работы сил поля, т.е.
,
где U – напряжение между точками входа и выхода частицы из электрического поля. Поэтому скорость частицы при выходе из электрического поля
. (20.10)
С учетом (20.10)выражение (20.9) примет вид:
. (20.11)
Опыты, проведенные таким образом, позволили рассчитать отношение
Если заряженная частица влетает в магнитное поле так, что направление ее скорости υ образует с вектором индукции магнитного поля B угол α (причем α≠0, α≠π), то траектория движения частицы представляет винтовую линию (рис.20.8).
Рис. 20.8
На частицу, которая движется вдоль линий индукции магнитного поля со скоростью υy, сила Лоренца не действует.
Перпендикулярная составляющая скорости υx обеспечивает движение частицы по окружности радиуса R. Таким образом, под действием двух составляющих скорости υy и υx частица движется по винтовой линии.
Радиус винтовой траектории согласно формуле (20.9) будет равен:
, (20.12)
а шаг винта
, (20.13)
где – период обращения по окружности радиуса R.
Как уже отмечалось ранее, электрическое и магнитное поля являются частями единого электромагнитного поля. Поэтому в произвольной системе отсчета полная сила, с которой электромагнитное поле действует на заряженную частицу, равна векторной сумме электрической Fэ и магнитной Fм составляющих, т.е.
.
20.5. Эффект Холла
Если пластинку, вдоль которой течет постоянный ток, поместить в перпендикулярное к ней магнитное поле, то между гранями, параллельными направлению тока и поля, возникает разность потенциалов. Это явление впервые исследовал американский физик Е.Холл (1811–1890) в 1879 г., и оно впоследствии было названо эффектом Холла (рис.20.9).
Рис. 20.9
Экспериментально определено, что разность потенциалов Холла определяется по формуле:
, (20.14)
где b – ширина пластинки, j – плотность тока, B – магнитная индукция поля, R – коэффициент пропорциональности, который называется постоянной Холла.
Эффект Холла можно объяснить согласно электронной теории. Если магнитное поле отсутствует, ток в пластинке обусловлен электрическим полем E0 (рис.20.10).
Рис. 20.10
Потенциал во всех точках поверхности одинаков, в том числе и в точках 1 и 2. Электроны как носители отрицательного заряда двигаются со скоростью υ против вектора плотности тока j. При включении магнитного поля на каждый электрон действует сила Лоренца, направленная вдоль стороны b и численно равная Fл=eυB. Поэтому электроны приобретают составляющую скорости, которая направлена к верхней грани пластинки. Значит, на этой грани накапливается отрицательный заряд, на нижней – положительный. Таким образом, возникает поперечное электрическое поле EB. Если сила FB=eEB уравновесит силу Лоренца Fл=eυB, то установится стационарное равновесие: eEB=eυB. Откуда EB=υB. Результирующее поле E равно векторной сумме полей E0 и EB. Так как эквипотенциальные линии перпендикулярны вектору напряженности поля E, то точки 1 и 2, которые ранее лежали на одной эквипотенциальной поверхности, уже имеют разный потенциал.
Значит, разность потенциалов между этими точками равна:
. (20.15)
Сравнивая выражения (20.14) и (20.15), определим постоянную Холла:
. (20.16)
Из формулы (20.14) следует, что величина постоянной Холла, как и разности потенциалов Холла, зависит от концентрации носителей заряда в проводящей пластинке. Так как концентрация носителей тока в полупроводниках значительно меньше, чем в металлах, то и эффект Холла в полупроводниках наблюдать легче.
Эффект Холла используется в датчиках Холла, которые используют для измерения напряженности постоянных и переменных магнитных полей, силы и мощности электрического тока, превращения постоянного ток в переменный, модулирования и детектирования сигналов, анализа спектра частот, «чтения» магнитных записей и во многих элементах автоматики и вычислительной техники.
20.6. Принцип работымагнитогидродинамических генераторовМагнитогидродинамический (МГД) генератор – энергетическая установка, в которой тепловая энергия рабочего тела (плазмы) превращается в электрическую. Принцип работы МГД-генератора основан на взаимодействии магнитного поля с заряженными частицами, которые движутся в нем (рис.20.11).
Рис. 20.11
Если создать поток плазмы в магнитном поле, линии индукции B которого перпендикулярны скорости зарядов υ, то под действием силы Лоренца произойдет их разделение. Это значит, положительные заряды магнитным полем будут отклоняться в одну сторону, а отрицательные – в другую. В результате один электрод заряжается положительно, а второй – отрицательно. Между ними возникает разность потенциалов. Если электроды соединить проводником, то в нем возникнет электрический ток.
Использование МГД-генераторов является перспективным направлением развития тепловой энергетики, так как позволяет получать КПД 60 %, в то время как КПД тепловых станций достигает 40 %. Органическое топливо, которое используется в МГД-генераторах, вместе с нагретым воздухом поступает в камеру сгорания с температурой 3000°C. Там они превращаются в плазму. С целью увеличения электропроводности плазмы в нее могут добавлять специальные присадки – соли калия или цезия, уменьшающие выброс серы в атмосферу, тем самым решая часть экологических проблем.
Урок на тему «Сила Ампера и Сила Лоренца»
Разработка открытого урока по физике
Тема: «Действие магнитного поля на проводник с током. Закон Ампера. Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца. Магнитосфера Земли и её взаимодействие с солнечным ветром. Пара-, диа- и ферромагнитные вещества.»
Цель урока:Познакомить с силой Ампера и Лоренца, усвоить особенности действия магнитного поля на движущийся заряд и проводник с током , научиться использовать правило «левой руки» для определения направления действия силы Лоренца в незнакомой ситуации.
Задачи урока:
Образовательные:
Обосновать связь между силой тока в проводниках и силой их взаимодействия. Продолжить работу по формированию умений работать с рисунками и заданиями учебника.
Проконтролировать уровень усвоения основных положений, характеризующих силу Ампера. Сформировать умения применять правило «левой руки».
Воспитательные:
Показать, что взаимосвязь силы Ампера и силы Лоренца является примером проявления одного из признаков метода диалектического познания явлений.
Развития мышления:
Формировать элементы творческого поиска, умение доказывать и отстаивать свою точку зрения, давать свою оценку изучаемым явлениям.
Тип урока: урок сообщения новых знаний
Оборудование: проектор, тесты, карточки с заданием, презентация.
Ход урока:
Организационный момент. Приветсвие класса. Постановка целей и задач урока./3-4мин/
Критерии оценок
ДисциплинаОпрос домашнего задания /10 мин /
(проводится в виде тестирования, по окончанию взаимопроверка и оценивание)
Вариант 1.
Вставьте пропущенные слова или выберите один правильный ответ.
1. Как располагаются железные опилки в магнитном поле прямого тока?
а. Беспорядочно.
б. По прямым линиям вдоль проводника.
в.По замкнутым кривым, охватывающим проводник.
2. Когда к магнитной стрелке поднесли ……….. полюс постоянного магнита, то южный полюс стрелки оттолкнулся.
3. Разноименные магнитные полюсы …………, а одноименные — …………… .
4. Одноименными или разноименными полюсами образована картина магнитных линий (рис. 183)?
а. Одноименными.б. Разноименными.
5. Магнитная индукция величина …
6. Направление вектора магнитной индукции устанавливают с помощью правила
7. Магнитных зарядов в природе …
Вариант 2.
Вставьте пропущенные слова или выберите один правильный ответ.
1. Северный магнитный полюс расположен у … географического полюса, а южный — у …
2. Магнитная индукция измеряется в …
3. Какие вещества из указанных ниже совсем не притягиваются магнитом?
А. Стекло. Б. Сталь. В. Никель. Г. Чугун.
4.Магнитная индукция обозначается буквой …
5. Направление магнитных линий зависит от направления …… в проводнике, взаимосвязь этих направлений можно определить по ………….. …………………
6. За направление магнитных линий принято направление, которое указывает …… конец магнитной стрелки.
7. Магнитная стрелка остается неподвижной возле проводника с током.Это означает, что в проводнике …
Ключ
2
3
4
5
6
7
Вар 1
в.По замкнутым кривым, охваты-вающим проводник.
притягиваются
Притягиваются, отталкиваются
б) разноименными
буравчика
нет
Вар2
Южного
северного
Теслах(Тл)
стекло
В
Движущимися электрическими зарядами
северный
Тока нет
«5» — 7 правильных ответов
«4» — 5-6 правильных ответов
«3» — 3-4 правильных ответа
Изложение нового материала
Что такое магнитное поле?
/материя определяющая магнитное взаимодействие движущихся заряженных частиц или проводников с током/
Какими свойствами обладает магнитное поле ?/действует на проводник с током и движущуюся заряженную частицу/
Направление силы Ампера и силы Лоренца определяется по правилу левой руки: если расположить левую руку так, чтобы линии индукции входили в ладонь, а вытянутые пальцы были направлены вдоль тока, то отведенный большой палец укажет направление силы, действующей на проводник (на заряженную частицу).
Работа магнитного поля , совершаемая при перемещении проводника с током определяется по формуле:
Магнитным потоком через поверхность называется величина Ф, определяемая соотношением: Φ = B · S · cos α
Единица измерения магнитного потока в систем СИ — 1 Вебер (1 Вб). 1 Вб = 1 Тл · 1 м2
Работа в группах (составление кластера) /15 мин/
Магнитные свойства веществ.
Закрепление. Решение задач./15 мин/
/у доски/
задача 1
Определить силу, с которой однородное магнитное поле действует на проводник длиной 20 см, если сила тока в нем 300 мА, расположенный под углом 45 градусов к вектору магнитной индукции. Магнитная индукция составляет 0,5 Тл.
Задача 2
Какова скорость заряженного тела, перемещающегося в магнитном поле с индукцией 2 Тл, если на него со стороны магнитного поля действует сила 32 Н. Скорость и магнитное поле взаимно перпендикулярны. Заряд тела равен 0,5 мКл.
1 вариант
На «4»
1. Какова индукция магнитного поля в котором на проводник с длиной 5 см действует сила 50 мН? Сила тока в проводнике 25 А. проводник расположен перпендикулярно индукции магнитного поля.
2. В однородном магнитном поле с индукцией 0,8 Тл на проводник с током в 30 А, длина которого 10 см, действует сила 1,5 Н. Найти угол между векторам магнитной индукции и силой тока.
3.Электрон движется в вакууме со скоростью 3*106 м/с в однородном магнитном поле с магнитной индукцией 0,1 Тл. Чему равна сила, действующая на электрон, если угол между направлением скорости электронаи линиями индукци равен 900.
4. В направлении, перпендикулярном линиям индукции, влетает в магнитное поле электрон со скоростью 10 Мм/с. Найти индукцию поля, если электрон описал в поле окружность радиусом 1 см. /е=- 1,6*10-19 Кл, me=9,1*10-31кг/.
На «5»
Сформулировать и решить задачу
I
Fa
. . . . .
. . . . v
. . . . .B
FЛ
2 вариант
На «4»
1. В однородное магнитное поле с индукцией 0,085 Тл влетает электрон со скоростью 4,6*107 м/с, направленной перпендикулярно линиям индукции поля. Определите радиус окружности и период, по которой движется электрон.
2. Протон в однородном магнитном поле с индукцией 0,01 Тл описал окружность радиусом 10 см. Найдите скорость движения протона /р=1,6*10-19 Кл, mp=1,6*10-27 кг/
3. На прямой проводник длиной 0,5 м расположенный перпендикулярно силовым линиям поля с индукцией 0,02 Тл, действует сила 0,15 Н.найти силу тока , протекающего по проводнику.
4. Какова сила тока в проводнике, находящемся в однородном магнитном поле с индукцией 2 Тл, если длина активной части проводника 20 см, сила ,действующая на проводник, 0,75 Н, а угол между направлением линий индукции и током 490?
На «5»
Сформулировать и решить задачу
FA
I
X X v X
X X X
X X X B
3.
Fa
4. Вектор В направлен вверх, сила Faнаправлена вправо. Куда направлен ток?
Рефлексия /7 мин/
Итоги урока. Домашнее задание. Оценивание./3 мин/
1.4. Сила Лоренца. Правило левой руки для определения направления силы Лоренца
Силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля, называют силой Лоренца. Опытным путём установлено, что сила, действующая в магнитном поле на заряд , перпендикулярна векторами, а ее модуль определяется формулой:
,
где – угол между векторами и.
Направление силы Лоренца определяется правилом левой руки (рис. 6):
если вытянутые пальцы расположить по направлению скорости положительного заряда, а силовые линии магнитного поля будут входить в ладонь, то отогнутый большой палец укажет направление силы , действующей на заряд со стороны магнитного поля.
Для отрицательного заряда направление следует изменить на противоположное.
Рис. 6. Правило левой руки для определения направления силы Лоренца.
1.5. Сила Ампера. Правило левой руки для определения направления силы Ампера
Экспериментально установлено, что на проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует сила, получившая название силы Ампера (см. п. 1.3.). Направление силы Ампера (рис. 4) определяется правилом левой руки (см. п. 1.3).
Модуль силы Ампера вычисляется по формуле
,
где – сила тока в проводнике,- индукция магнитного поля,- длина проводника,- угол между направлением тока и вектором.
1.6. Магнитный поток
Магнитным потоком сквозь замкнутый контур называется скалярная физическая величина, равная произведению модуля вектора на площадьконтура и на косинус угламежду вектором и нормалью к контуру (рис. 7):
Рис. 7. К понятию магнитного потока
Магнитный поток наглядно можно истолковать как величину, пропорциональную числу линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность площадью .
Единицей магнитного потока является вебер .
Магнитный поток в 1 Вб создается однородным магнитным полем с индукцией 1 Тл через поверхность площадью 1 м2, расположенную перпендикулярно вектору магнитной индукции:
1 Вб =1 Тл·м2.
2. Электромагнитная индукция
2.1. Явление электромагнитной индукции
В 1831г. Фарадей обнаружил физическое явление, получившее название явления электромагнитной индукции (ЭМИ), заключающееся в том, что при изменении магнитного потока, пронизывающего контур, в нем возникает электрический ток. Полученный Фарадеем ток называется индукционным.
Индукционный ток можно получить, например, если постоянный магнит вдвигать внутрь катушки, к которой присоединен гальванометр (рис. 8, а). Если магнит вынимать из катушки, возникает ток противоположного направления (рис. 8, б).
Индукционный ток возникает и в том случае, когда магнит неподвижен, а движется катушка (вверх или вниз), т.е. важна лишь относительность движения.
Но не при всяком движении возникает индукционный ток. При вращении магнита вокруг его вертикальной оси тока нет, т.к. в этом случае магнитный поток сквозь катушку не изменяется (рис. 8, в), в то время как в предыдущих опытах магнитный поток меняется: в первом опыте он растет, а во втором – уменьшается (рис. 8, а, б).
Направление индукционного тока подчиняется правилу Ленца:
возникающий в замкнутом контуре индукционный ток всегда направлен так, чтобы создаваемое им магнитное поле противодействовало причине, его вызывающей.
Индукционный ток препятствует внешнему потоку при его увеличении и поддерживает внешний поток при его убывании.
Рис. 8. Явление электромагнитной индукции
Ниже на левом рисунке (рис. 9) индукция внешнего магнитного поля , направленного «от нас» (+) растет (>0), на правом – убывает (<0). Видно, чтоиндукционный ток направлен так, что его собственное магнитное поле препятствует изменению внешнего магнитного потока, вызвавшего этот ток.
Рис. 9. К определению направления индукционного тока
| | Адрес этой страницы (вложенность) в справочнике dpva.ru: главная страница / / Техническая информация / / Физический справочник / / Физика для самых маленьких. Шпаргалки. Школа. / / 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 Поделиться:
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Если Вы не обнаружили себя в списке поставщиков, заметили ошибку, или у Вас есть дополнительные численные данные для коллег по теме, сообщите , пожалуйста. Вложите в письмо ссылку на страницу с ошибкой, пожалуйста. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Коды баннеров проекта DPVA.ru Начинка: KJR Publisiers Консультации и техническая | Проект является некоммерческим. Информация, представленная на сайте, не является официальной и предоставлена только в целях ознакомления. Владельцы сайта www.dpva.ru не несут никакой ответственности за риски, связанные с использованием информации, полученной с этого интернет-ресурса. Free xml sitemap generator | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Понимание основ закона силы Ампера
Закон силы Ампера был открыт Андре-Мари Ампера (которая легла в основу определения единицы электричества, Ампера). Не вдаваясь в утомительные математические уравнения, мы собираемся понять, что такое закон, как был определен Ампер и как этот закон изменения пути изменил физику в то время.
Закон Ампера о силе гласит, что сила притяжения или отталкивания между двумя проводами, по которым проходит ток, пропорциональна их длине и силе тока, проходящего через них.Если токи текут в одном направлении, происходит отталкивание. Если токи текут в противоположных направлениях, происходит притяжение. Закон основан на этих двух основных понятиях электростатики:
- Закон Био-Савара гласит, что каждый токоведущий провод создает вокруг себя магнитное поле, как показано на Рис. 1 .
- Сила Лоренца относится к силе, которую каждое магнитное поле оказывает на любой электрический заряд, движущийся в его поле.
Рисунок 1: Правило большого пальца для поиска магнитного поля вокруг токоведущего провода
На основании закона Био-Савара и силы Лоренца существует связь между магнитным полем и электрическим зарядом / током.Именно эту связь Ампер пытался установить с помощью экспериментов. Самый простой из этих экспериментов заключался в изучении силы между двумя токоведущими проводами, как показано на Рисунок 2 . Этот эксперимент и последующие теории, объясняющие его результаты, заложили основу электромагнетизма как области физики.
Рисунок 2: Магнитное поле между токоведущими проводами
Ампер, единица измерения электрического тока в системе СИ, определяется как сила электромагнитного поля на единицу длины между двумя проводами бесконечной длины, имеющими незначительный диаметр и расположенными на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме.Основное предположение здесь заключается в том, что провода находятся в свободном пространстве, то есть в нем нет вещества, которое можно было бы намагнитить. Если какая-либо материя, присутствующая в окружающей среде, намагничивается, она проявляет свою собственную магнитную силу, которую необходимо принимать во внимание, поэтому следует сделать это предположение.
Используя закон силы Ампера, можно рассчитать магнитное поле вокруг бесконечного провода, бесконечного листа, тороида, соленоида или любой другой правильной формы, как показано на рисунках и рисунках 3 и 4 ниже.
Рисунок 3: Магнитное поле вокруг соленоида Рисунок 4: Магнитное поле вокруг тороида
Закон силы Ампера оказался настолько фундаментальным законом, что после него многие физики, такие как Джеймс Клерк Максвелл, Вильгельм Вебер, Бернард Риман и т. Д.расширил его, чтобы найти базовое определение самой силы. Возвращаясь к работе Ампера, Закон силы утверждает, что сила между токоведущими проводами пропорциональна их длине и силе протекающего тока. Это означает, что чем выше ток, тем больше притяжение или отталкивание между проводами.
Статьи по теме:
Какой номинал батареи в ампер-часах (ампер-час или Ач)?
Напряжение в батарее: нам нужно, чтобы оно было постоянным
Как работает магнит?
Закон Фарадея, закон Ампера, закон Ленца и сила Лоренца
Работа электродвигателей регулируется различными законами электричества и магнетизма, включая закон индукции Фарадея, закон Ампера, закон Ленца и силу Лоренца.Первые два — закон Фарадея и закон Ампера — включены в уравнения Максвелла. Вместе с законом Ленца и силой Лоренца эти принципы составляют основу электромагнетизма.
Закон индукции Фарадея
Закон индукции Фарадея — это основной закон, по которому работают электродвигатели. Майкл Фарадей приписывают открытие индукции в 1831 году, но Джеймс Клерк Максвелл описал ее математически и использовал в качестве основы своей количественной электромагнитной теории в 1860-х годах.
Индуктивность — это свойство устройства, которое показывает, насколько эффективно оно индуцирует ЭДС в другом устройстве (или на самом себе).
Закон Фарадея обычно гласит, что в замкнутой катушке (петле) из проволоки изменение магнитной среды катушки вызывает в катушке напряжение или ЭДС (электродвижущая сила).
Изменение магнитной среды может быть вызвано изменением напряженности магнитного поля, перемещением магнита по направлению к катушке или от нее, перемещением катушки в магнитное поле или из него или вращением катушки в поле.
Индуцированная ЭДС равна отрицательной скорости изменения магнитного потока, умноженной на количество витков в катушке:
Где:
E = ЭДС (В)
N = количество витков в катушке
Φ = магнитный поток (Вебер, Вт)
t = время (с)
Обратите внимание, что магнитный поток равен среднему магнитному полю, B, (тесла или Вт / м 2 ), умноженному на площадь перпендикуляра катушки, которая проникает в магнитное поле, A (м 2 ).
Закон Ленца
Закон Ленца демонстрирует причину отрицательного знака в законе индукции Фарадея. Другими словами, закон Ленца объясняет , почему ЭДС, генерируемая в соответствии с законом Фарадея, отрицательна.
Обычный способ сформулировать закон Ленца: «Когда ЭДС генерируется изменением магнитного потока, полярность индуцированной ЭДС такова, что она генерирует ток, магнитное поле которого направлено в направлении, противоположном изменению, которое его вызвало. (исходное магнитное поле).То есть индуцированное магнитное поле всегда поддерживает постоянный магнитный поток.
Когда магнитный поток изменяется (ΔB), магнитное поле наведенной ЭДС (B Induced ) работает, чтобы противодействовать изменению.Изображение предоставлено: К. Р. Нейв, Государственный университет Джорджии
Закон Ленца аналогичен третьему закону Ньютона в механике, который гласит, что для каждого действия существует равное и противоположное противодействие.
Сила Лоренца
Существуют разногласия по поводу того, была ли сила Лоренца первоначально получена Джеймсом Клерком Максвеллом или Оливером Хевисайдом, но обычно заслуги передаются Хевисайду.Хендрик Лоренц вывел современную форму уравнения в 1891 году.
Сила Лоренца — это сила, которую частица испытывает из-за электрического и магнитного полей. Электрические поля действуют на частицу независимо от того, движется она или нет, в то время как магнитные поля действуют только тогда, когда частица находится в движении. Комбинация сил электрического и магнитного полей определяется как:
Что упрощается до:
Где:
F = сила (Н)
q = частица заряда (кулон, Кл)
E = электрическое поле (N / C)
v = скорость перпендикулярно магнитному полю (м / с)
B = магнитное поле (тесла, Тл)
Поскольку ток — это, по сути, поток движущихся заряженных частиц, на него также действует сила, обусловленная магнитным полем.В случае тока в магнитном поле уравнение силы Лоренца принимает следующий вид:
Где:
I = ток (А)
l = длина провода через поле (м)
Направление силы Лоренца определяется с использованием правила правой руки: направьте большой палец в направлении тока, первый палец — в направлении магнитного поля, а второй (средний) палец — в направлении тока. сила.
Окружной закон Ампера
Несмотря на свое название, круговой закон Ампера был выведен не Андре-Мари Ампера, а Джеймсом Клерком Максвеллом в 1860 году и является одним из уравнений Максвелла электромагнетизма. (Ампер сформулировал закон силы Ампера, который описывает силу притяжения или отталкивания между двумя токоведущими проводами.)
Магнитное поле действует на прямой провод, по которому течет ток. По закону движения Ампера напряженность магнитного поля может быть определена по формуле:
Где:
B = магнитное поле (Тл)
μ 0 = магнитная проницаемость воздуха, Т-м / А
I = ток (А)
r = расстояние от провода (м)
Когда провод представляет собой петлю, магнитное поле вызывает силу в одном направлении на одной стороне петли и в противоположном направлении на другой стороне петли.Это создает крутящий момент, который заставляет катушку вращаться. Обратите внимание, что при подаче постоянного тока катушка будет колебаться вперед и назад, но не будет совершать полных оборотов — это причина, по которой в двигателях постоянного тока используются коммутаторы. Двигатели, работающие на переменном токе (двигатели переменного тока), не имеют этой проблемы.
Изображение предоставлено: TutorVista.com
Сила Лоренца от магнитного поля, Рон Куртус
SfC Home> Физика> Магнетизм>
Рона Куртуса (от 18 сентября 2016 г.)
Сила Лоренца на электрический заряд возникает, когда заряд движется через магнитное поле.Эта сила перпендикулярна направлению заряда, а также перпендикулярна направлению магнитного поля. Это векторная комбинация двух сил.
Эта сила Лоренца была впервые сформулирована Джеймсом Кларком Максвеллом в 1865 году, затем Оливером Хевисайдом в 1889 году и, наконец, Хендриком Лоренцем в 1891 году.
Поскольку электроны движутся по проводу, эта сила также применяется к электрическому току. Направление силы демонстрируется правилом для правой руки .
Вопросы, которые могут у вас возникнуть:
- Что вызывает силу Лоренца?
- Как это применимо, когда в проводе течет ток?
- Что такое правило правой руки?
Этот урок ответит на эти вопросы. Полезный инструмент: Конвертация единиц
Причина силы Лоренца
Магнитное поле создается движением электрически заряженной частицы, например протона или электрона. Если этот электрический заряд движется через внешнее магнитное поле, возникает сила магнитного притяжения или отталкивания, в зависимости от того, как взаимодействуют два магнитных поля.
( Для получения дополнительной информации см. «Основы магнетизма». )
Связь между силой, действующей на движущуюся частицу, скоростью частицы через магнитное поле, силой этого магнитного поля и силой, действующей на частицу, и углом между направлениями частицы и магнитного поля составляет:
F = qvB * sinθ
где:
- F — сила в Ньютонах
- q — электрический заряд в кулонах
- v — скорость положительного (+) заряда в метрах в секунду
- B — сила магнитного поля в теслах
- sinθ — синус угла между v и B
- θ — греческая буква тета
Примечание : Направление магнитного поля B определяется как от N до S .Также направление электрического заряда от (+) до (-). Электрон будет двигаться в противоположном направлении.
Уравнение Силы Лоренца подразумевает, что если скорость частицы равна нулю ( v = 0), то F = 0. Кроме того, если частица движется в направлении, параллельном B , снова F = 0.
Ток через провод
Поскольку электрический ток в проводе состоит из движущихся электронов, сила Лоренца также применяется к току в магнитном поле.Когда ток перпендикулярен направлению магнитного поля, уравнение силы имеет вид:
Ф = БИЛ
где:
- F — сила в Ньютонах
- B — сила магнитного поля в теслах
- I — электрический ток в амперах
- L — длина провода через магнитное поле в метрах
Примечание : Помните, что обычно направление тока в проводе противоположно направлению движения электронов.
Сила Лоренца на проводе в магнитном поле
Эту силу на проволоке можно измерить экспериментально.
Правило правой руки
Направление силы Лоренца для данного направления тока и магнитного поля можно запомнить с помощью правила правой руки. Если вы взяли правую руку и выставили большой палец вверх, указательный палец (первый палец) вперед и второй палец перпендикулярно двум другим, то направление силы будет таким, как показано на рисунке ниже.
Правило правой руки для силы, действующей на движущийся заряд через магнитное поле
Правило правой руки должно помочь вам запомнить, в какую сторону указывает сила движущегося заряда. Но лично я думаю, что это сбивает с толку. Тем не менее, вы должны знать об этом, потому что некоторые учителя включают его в тесты.
Резюме
Сила Лоренца применяется к электрическому заряду, который движется через магнитное поле. Он перпендикулярен направлению заряда и направлению магнитного поля.Направление силы демонстрируется Правилом правой руки.
Отличная работа
Ресурсы и ссылки
Полномочия Рона Куртуса
Сайтов
Магнитная сила — HyperPhysics
Lorentz Force — Википедия
Объяснение силы Лоренца с помощью магнитных силовых линий — Веб-сайт Заговора Света
Объяснение магнетизма — из НАСА
Ресурсы магнетизма
Книги
Книги по магнетизму с самым высоким рейтингом
Вопросы и комментарии
Есть ли у вас какие-либо вопросы, комментарии или мнения по этой теме? Если да, отправьте свой отзыв по электронной почте.Я постараюсь вернуться к вам как можно скорее.
Поделиться страницей
Нажмите кнопку, чтобы добавить эту страницу в закладки или поделиться ею через Twitter, Facebook, электронную почту или другие службы:
Студенты и исследователи
Веб-адрес этой страницы:
www.school-for-champions.com/science/
magnetism_lorentz.htm
Пожалуйста, включите его в качестве ссылки на свой веб-сайт или в качестве ссылки в своем отчете, документе или тезисе.
Авторские права © Ограничения
Где ты сейчас?
Школа чемпионов
Магнетизм темы
Магнетизм и сила Лоренца
Ампер-сила / Лоренца
Рисунок 1: Настройка для демонстрации Ampere Force
Алюминиевый стержень подвешен между полюсами большого магнита. Если через стержень нет тока, он свободно качается.Когда по стержню проходит ток, возникает сила, которая толкает или тянет стержень в зависимости от направления тока. Это показано на Рисунке 1 выше.
Оснащение:
- Двойной рубильник
- Пруток алюминиевый
- Провода с открытой медной резьбой (для намотки на стержень)
- Гигантский подковообразный магнит
- Две установки штанги / стойки с другой опорной штангой / зажимами
- Источник питания постоянного тока Fisher Scientific
- Банановые шнуры (4)
- Хомуты резиновые
- Видеокамера
Рисунок 2: Принципиальная схема ампер-силы
Демо:
- Расположите алюминиевый стержень так, чтобы он висел в середине магнита (не касаясь его сторон).На магните помечены северный и южный полюсы, чтобы помочь определить направление магнитного поля.
- С ножевым выключателем прямо вверх (режим напряжения) подключите банановые кабели в соответствии со схемой на Рисунке 2 выше.
- Подключите два одинарных банановых гнезда по обе стороны от рубильника к источнику питания.
- Дважды проверьте, что текущая ручка установлена на ноль на PS, затем включите PS.
- Увеличьте напряжение примерно до 10 В.
- Поверните рубильник вправо или влево (текущий режим) и увеличьте ток.Стержень будет качаться внутрь или наружу магнита, в зависимости от направления.
- Чтобы изменить направление качания стержня, установите ток на ноль, переведите рубильник в противоположную сторону и снова увеличьте ток.
Пояснение:
Предпосылка этой демонстрации — показать, как провод с током, помещенный в магнитное поле, будет испытывать силу, известную как сила Лоренца (где электрическое поле равно 0). Это показано в уравнении ниже:
F — магнитная сила, действующая на провод, I — ток, L — длина токоведущего провода, а B — внешнее магнитное поле.
Магнитное поле, создаваемое подковообразным магнитом, представляет собой постоянное магнитное поле, силовые линии которого показаны ниже на Рисунке 3.
Рисунок 3: Магнитное поле подковообразного магнита (Подковообразный магнит. (2018, 30 декабря. Https://en.wikipedia.org/wiki/Horseshoe_magnet)
Проволока помещается между концами магнита, где мы приближаемся к однородному магнитному полю. Из-за настройки магнита на демонстрации это магнитное поле может быть как вверх, так и вниз.Провод проложен таким образом, что ток будет течь либо влево, либо вправо, если вы встречаетесь с демонстрацией. Схема этой демонстрации показана на Рисунке 1.
Как только ток начинает течь, токопроводящий провод испытывает силу, поскольку он погружен в магнитное поле. Направление этой силы определяется силой Лоренца, которая определяет, как движущийся заряд во внешнем магнитном поле будет испытывать силу. Это уравнение приведено выше.На рисунке 4 ниже показан результирующий эффект.
Рисунок 4: Эффекты реверсирования тока на алюминиевом стержне
Предположим, что магнитное поле направлено вверх на рисунке 4, чтобы соответствовать рисунку 3. На верхнем рисунке рисунка 4 мы можем определить, что сила Лоренца на проводе направлена в сторону от магнита, и мы используем наше предположение, что магнитное поле направлено вверх. Используя перекрестное произведение в уравнении Лоренца, мы можем выяснить, что ток в проводе движется слева направо относительно рисунка 4.
На нижнем изображении рисунка 4 мы видим, что сила Лоренца на проводе направлена на магнит. Опять же, мы предполагаем, что магнитное поле направлено вверх. Используя векторное произведение в уравнении Лоренца, мы можем выяснить, что ток в проводе движется справа налево, как показано на рисунке 4.
Теперь, если мы предположим, что магнитное поле направлено вниз, мы могли бы использовать те же рассуждения, что и выше, чтобы обнаружить, что направление тока в проводе изменится. Чтобы убедиться в этом, давайте начнем с верхнего изображения на рисунке 4.Мы предполагаем, что магнитное поле направлено вниз, и кажется, что на провод действует сила, которая отталкивает его от магнита. С помощью RHR мы определяем, что ток течет справа налево относительно рисунка 4. На нижнем рисунке на рисунке 4 мы поддерживаем предположение, что магнитное поле направлено вниз, но теперь на провод действует сила, которая тянет провод внутри магнита. Таким образом, RHR сообщает нам, что ток течет по проводу слева направо, как показано на рисунке 4.
Примечания:
- Лучше всего отключить ток перед тем, как щелкнуть рубильник, чтобы избежать внезапного сильного изменения тока
- Остерегайтесь плохих соединений рубильника!
- Магнит ОЧЕНЬ СИЛЬНЫЙ, поэтому будьте осторожны с металлическими предметами.
По сценарию Райана Дудшуса
Сила Лоренца — Видео по физике от Brightstorm
Сила Лоренца — сила, действующая на заряд в электромагнитном поле. Сила Лоренца определяется по формуле F = qv x B , в которой q — заряд, v — скорость, а B — плотность магнитного поля. Сила Лоренца перпендикулярна скорости и магнитному полю. Правило правой руки применяется при определении силы Лоренца.
Давайте поговорим о силе Лоренца. Сила Лоренца — это название, которое мы даем силе, которую ощущает заряд, когда он движется через магнитное поле.В этом есть пара странных вещей, которые сильно отличают его от электрического поля. Помните, что в электрическом поле сила просто равна заряду, умноженному на электрическое поле, поэтому я удваиваю заряд, удваиваю силу, все очень очень просто, сила направлена в том же направлении, что и электрическое поле. Поскольку магнитные поля очень разные, мы заменяем эту формулу этой формулой: f равен заряду, умноженному на скорость, а затем это перекрестное произведение, которое является типом векторного произведения, о котором мы поговорим через секунду после пересечения магнитного поля.
Хорошо, перекрестные произведения странные. Он сообщает вам, что я возьму эти два вектора и сформирую из них один вектор, перпендикулярный им обоим, так что, допустим, скорость была такой, а магнитное поле было таким. , ну, есть вектор, перпендикулярный этим двум направлениям, и этот вектор прямо здесь, поэтому, если бы у меня было магнитное поле и такая скорость, сила была бы либо в этом направлении, либо в этом направлении.Чтобы определить, какой из них, я использую правило правой руки. Правило правой руки станет довольно простым, если вы к нему привыкнете, поэтому давайте продолжим и просто посмотрим, как это работает.
Предположим, что у меня есть такое магнитное поле, я хочу, чтобы магнитное поле выходило из платы, чтобы все линии магнитного поля указывали вот так, как будто у меня здесь северный полюс. южный полюс здесь линии магнитного поля выходят из платы, вот что означают эти точки. Теперь я отправляю положительный заряд вправо, так в каком направлении сила? Во-первых, мы знаем, что магнитное поле таково, а заряд движется таким образом, сила должна быть либо вверх, либо вниз, потому что это два направления, которые перпендикулярны как магнитному полю, так и скорости, хорошо, какой выбрать? Мы используем правую руку, поэтому это называется правилом правой руки, и мы помещаем большой палец в направлении, в котором движется заряд, мы помещаем пальцы в направлении, в котором находится магнитное поле, и теперь наша ладонь будет указывать в направлении направление силы.Хорошо, все очень просто, я хочу сосредоточиться на том, какова величина этой силы? Теперь сначала я просто хочу еще раз сделать это заявление очень ясным; сила перпендикулярна как скорости, так и магнитному полю, и это полностью отличается от того, как она работает в ситуации электрического поля, поэтому магнитные поля не могут существовать только в двух измерениях, мне нужны все три измерения, и это не совсем то. случай для электрических полей магнитные поля по своей природе трехмерны.Хорошо, так какова величина силы? Ну, величина этой силы равна заряду, умноженному на часть скорости, которая перпендикулярна магнитному полю, умноженная на магнитное поле, поэтому только часть скорости, перпендикулярная магнитному полю, может вносить вклад, так что это означает, что если бы у меня было магнитное поле, поле было направлено вот так, и я отправляю заряд так, что никакая часть не перпендикулярна, а это означает, что нет силы, она просто проходит прямо вдоль силовых линий магнитного поля, поэтому перекрестные произведения примерно перпендикулярны, это то, что вы должны подумать, как только услышите при слове «перекрестное произведение» вы должны думать по правилу правой руки и перпендикулярно.
Хорошо, давайте продолжим и решим задачу, так что давайте сначала поговорим об единицах измерения, а какова единица измерения магнитного поля? Мы еще не видели, что у нас есть выражение для силы, мы можем связать единицу магнитного поля, которая называется Тесла, с нашими стандартными единицами, поскольку сила, равная Ньютонам, должна быть равна заряду, умноженному на скорость в кулонах это метры в секунду, умноженные на магнитное поле, это Тесла, если мы решим для Тесла, то в конечном итоге мы получим 1 Тесла, равный 1 Ньютон-секунде на кулоновский метр, который мы также можем записать как один Ньютон на амперметр.Хорошо, что Тесла — это очень большое магнитное поле. Скорее всего, вы никогда не были рядом с таким большим магнитным полем, если у вас нет МРТ или чего-то в этом роде, поэтому для сравнения, магнитное поле Земли составляет всего от 30 до 60 микротесла-миллионных долей. Тесла, 30 на экваторе и 60 на полюсах, он сильнее около полюсов, потому что именно там силовые линии сходятся.
Хорошо, давайте займемся проблемой. Итак, предположим, что у меня есть заряд в 7 микрокулонов, и он будет двигаться со скоростью 5 километров в секунду на 20 градусов над горизонтом, и он движется в этом направлении в магнитном поле 2 Тесла, направленном вверх, и я хочу знать величину сила, которую он испытывает.Хорошо, давайте посмотрим на это, лучшее, что можно сделать при приближении к такой проблеме, — это сначала составить диаграмму.У меня есть магнитное поле, направленное вверх, и у меня есть моя скорость, которая направлена на 20 градусов выше. горизонтальный. Хорошо, поэтому мы можем очень быстро использовать правило правой руки, просто чтобы получить направление силы, мы скажем, что магнитное поле скорости, сила выходит за пределы доски, что мы собираемся обозначить этой точкой, хорошо, так что теперь я хочу знать величину.Хорошо, если q v perp v хорошо хорошо отвечать достаточно просто 7 умножить на 10 до минус 6 помните, что мы будем работать в единицах СИ, потому что мы будем здесь хорошими физиками, хорошо? Итак, 7 умножить на 10 с точностью до минус 6, какая часть скорости перпендикулярна магнитному полю? Что ж, это будет эта часть скорости, а это значит, что мне нужно взять скорость за гипотенузу этого треугольника и умножить на косинус 20 градусов, потому что косинус — это сторона, прилегающая к стороне, которая помогает образовать угол, поэтому мы иметь в 5000 раз косинус 20 градусов, хорошо, и это даст нам v perp, так что оно будет 5 умножить на 10 на 3 косинуса 20, а затем мне нужно умножить на магнитное поле, которое равно 2, хорошо? Так что если я вытащу все это в свой калькулятор, у меня будет всего 6.6 умножить на 10 до -2 Ньютонов, или мы могли бы сказать, что 66 миллионов Ньютонов, и это сила, которая является законом силы Лоренца.
Сила на движущийся заряд в магнитном поле — College Physics
Каков механизм, с помощью которого один магнит действует на другой? Ответ связан с тем фактом, что весь магнетизм вызван током, потоком заряда. Магнитные поля действуют на движущиеся заряды , и поэтому они действуют на другие магниты, у всех из которых есть движущиеся заряды.
Правило правой руки 1
Магнитная сила, действующая на движущийся заряд, — одна из самых фундаментальных известных. Магнитная сила так же важна, как электростатическая или кулоновская сила. Однако магнитная сила более сложна как по количеству влияющих на нее факторов, так и по ее направлению, чем относительно простая кулоновская сила. Величина магнитной силы, действующей на заряд, движущийся со скоростью в напряженном магнитном поле, равна
.где — угол между направлениями и Эту силу часто называют силой Лоренца.Фактически, именно так мы определяем напряженность магнитного поля — в терминах силы, действующей на заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле. Единица СИ для напряженности магнитного поля называется тесла (Тл) в честь эксцентричного, но блестящего изобретателя Николы Тесла (1856–1943). Чтобы определить, как тесла соотносится с другими единицами СИ, мы решаем для.
Поскольку без единицы измерения, тесла составляет
(обратите внимание, что C / s = A).
Еще одна меньшая единица измерения, называемая гауссом (G), где иногда используется.Самые сильные постоянные магниты имеют поля около 2 Тл; сверхпроводящие электромагниты могут достигать 10 Тл или более. Магнитное поле Земли на ее поверхности составляет всего около 0,5 Гс.
Направление магнитной силы перпендикулярно плоскости, образованной и, как определено правилом правой руки 1 (или RHR-1), которое проиллюстрировано на (Рисунок). RHR-1 утверждает, что для определения направления магнитной силы на положительный движущийся заряд вы указываете большим пальцем правой руки в направлении, пальцы в направлении, а перпендикуляр к ладони указывает в направлении из .Один из способов запомнить это — это одна скорость, и поэтому большой палец представляет ее. Есть много линий поля, поэтому пальцы представляют их. Сила действует в том направлении, в котором вы толкаете ладонью. Сила, действующая на отрицательный заряд, прямо противоположна силе, действующей на положительный заряд.
Установление соединений: заряды и магниты
На статические заряды не действует магнитная сила. Однако на движущиеся заряды действует магнитная сила. Когда заряды неподвижны, их электрические поля не влияют на магниты.Но когда заряды движутся, они создают магнитные поля, которые действуют на другие магниты. Когда есть относительное движение, возникает связь между электрическим и магнитным полями — одно влияет на другое.
Расчет магнитной силы: магнитное поле Земли на заряженном стеклянном стержне
За исключением компасов, вы редко видите или лично испытываете силы из-за небольшого магнитного поля Земли. Чтобы проиллюстрировать это, предположим, что в физической лаборатории вы натираете стеклянный стержень шелком, помещая на него положительный заряд 20 нКл.Вычислите силу, действующую на стержень из-за магнитного поля Земли, если вы бросите его с горизонтальной скоростью 10 м / с на запад в место, где поле Земли направлено на север параллельно земле. (Направление силы определяется правилом 1 правой руки, как показано на (Рисунок).)
Положительно заряженный объект, движущийся строго на запад в области, где магнитное поле Земли направлено на север, испытывает силу, направленную прямо вниз, как показано. Отрицательный заряд, движущийся в том же направлении, почувствовал бы силу прямо вверх.
Стратегия
Нам дан заряд, его скорость, сила и направление магнитного поля. Таким образом, мы можем использовать уравнение, чтобы найти силу.
Решение
Магнитная сила
Мы видим это, поскольку угол между скоростью и направлением поля равен. Ввод других заданных количеств дает
Обсуждение
Эта сила совершенно незначительна для любого макроскопического объекта, что согласуется с опытом.(Он рассчитывается только с одной цифрой, поскольку поле Земли меняется в зависимости от местоположения и приводится только с одной цифрой.) Магнитное поле Земли, однако, оказывает очень важное влияние, особенно на субмикроскопические частицы. Некоторые из них рассматриваются в книге «Сила движущегося заряда в магнитном поле: примеры и приложения».
Как определить направление силы Лоренца
Сила Лоренца определяет интенсивность воздействия электрического поля на точечный заряд.В некоторых случаях это означает силу, с которой магнитное поле действует на заряд q, который движется со скоростью V, в других — совокупное влияние электрического и магнитного полей.
Инструкция по эксплуатации
1
Чтобы определить направление силы Лоренца , было создано мнемоническое правило левой руки. Его легко запомнить за счет того, что направление определяется пальцами. Раскройте ладонь левой руки и разогните все пальцы. Большой палец согните под углом 90 градусов по отношению ко всем остальным пальцам в той же плоскости, что и ладонь.
2
Представьте, что четыре пальца вашей ладони, которые вы держите вместе, указывают направление скорости заряда, если оно положительное, или направление, противоположное скорости, если заряд отрицательный.
3
Вектор магнитной индукции, который всегда направлен перпендикулярно скорости, таким образом попадет в ладонь. Теперь посмотрите, куда указывает большой палец — это направление силы Лоренца.
4
Сила Лоренца может быть равна нулю и не иметь векторной составляющей.Это происходит, когда траектория заряженной частицы параллельна силовым линиям магнитного поля. В этом случае частица имеет прямолинейную траекторию движения и постоянную скорость. Сила Лоренца не влияет на движение частицы, потому что в этом случае она полностью отсутствует.
5
В простейшем случае заряженная частица имеет траекторию движения, перпендикулярную силовым линиям магнитного поля. Затем сила Лоренца создает центростремительное ускорение, заставляя заряженную частицу двигаться по кругу.
примечание
Сила Лоренца была открыта в 1892 году Хендриком Лоренцем, физиком из Голландии. Сегодня его часто используют в различных электроприборах, действие которых зависит от траектории движущихся электронов. Например, это электронно-лучевые трубки в телевизорах и мониторах. Всевозможные ускорители, ускоряющие заряженные частицы до огромных скоростей, с помощью силы Лоренца определяют орбиты их движения.
Полезный совет
Особым случаем силы Лоренца является сила Ампера.Его направление рассчитывается по правилу левой руки.
- Сила Лоренца
- Силовая линейка Лоренца для левой руки
