Применение силы лоренца. Применение сил Ампера и Лоренца в науке и технике. Амперметр, телеграф, электромагниты, масс-анализаторы
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 нап
Сила Лоренца (эл. И магн. Часть). Закон Ампера. Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца
Электрический ток – это совокупность упорядоченно движущихся заряженных частиц. Поэтому действие магнитного поля на проводник с током есть результат действия поля на движущиеся заряженные частицы внутри проводника.
Силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля, называют силой Лоренца.
Модуль силы Лоренца равен отношению модуля силы Ампера, действующей на участок проводника, к числу заряженных частиц в этом участке проводника:
Сила
Ампера равна 
(см. стр. 12). Подставив эти выражения в
формулу для силы Лоренца, получим: 
где 
— угол между векторами скорости и
магнитной индукции.
Направление силы Лоренца определяют для положительного заряда по правилу левой руки. (Для отрицательного заряда сила Лоренца будет направлена в противоположную сторону).
Так как сила Лоренца перпендикулярна скорости частицы, то она не совершает работу. А, согласно теореме о кинетической энергии, это означает, что сила Лоренца не меняет кинетическую энергию частицы и, следовательно модуль ее скорости. Под действием силы Лоренца меняется лишь направление скорости частицы.
Закон Ампера
Поместим в магнитное поле проводник длинной l, по которому течет ток I. На проводник действует сила, прямо пропорциональная силе тока, текущего по проводнику, индукции магнитного поля, длине проводника, и зависящая от ориентации проводника в магнитном поле. |F|=IB
Закон Ампера
Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, называется силой
Экспериментальное изучение магнитного взаимодействия показывает, что модуль силы Ампера пропорционален длине проводника с током, силе тока и зависит от ориентации проводника в магнитном поле.
Опыт показывает, что магнитное поле, вектор индукции которого направлен вдоль проводника с током, не оказывает влияния на ток. Поэтому модуль силы зависит лишь от модуля составляющей вектора магнитной индукции, перпендикулярной проводнику.
Закон Ампера заключается в следующем. Сила Ампера равна произведению магнитной индукции поля на силу тока, длину участка проводника и на синус угла между магнитной индукцией и участком проводника:
Направление силы ампера определяется по правилу левой руки: если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная составляющая магнитной индукции входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90 большой палец покажет направление силы, действующей на отрезок проводника.
Магнитное взаимодействие проводников с током используется в Международной системе для определения единицы сила тока –ампера.
Ампер –сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, вызывал бы между этими проводниками силу магнитного взаимодействия, равную Н на каждый метр длины.
Сила Ампера и закон Ампера
Закон АмпераТрудно представить нашу современную жизнь без электричества, ведь исчезни оно, это бы мгновенно привело к глобальным катастрофическим последствиям. Так что в любом случае с электричеством мы отныне не разлучные. А вот для того, чтобы иметь с ним дело нужно знать определенные физические законы, одним из которых, безусловно, является закон Ампера. А пресловутая магнитная сила Ампера – главная составляющая этого закона.
Закон Ампера
Итак, давайте сформулируем закон Ампера: в параллельных проводниках, где электрические токи текут в одном направление, появляется сила притяжения. А в проводниках, где токи текут в противоположных направлениях, наоборот возникает сила отталкивания. Если же говорить простым житейским языком, то закон Ампера можно сформулировать предельно просто «противоположности притягиваются», и ведь в реальной жизни (а не только физике) мы наблюдаемо подобное явление, не так ли?
Но вернемся к физике, в ней также под законом Ампера понимают закон, определяющий силу действия магнитного поля на ту часть проводника, по которой протекает ток.
Что такое сила Ампера
Собственно сила ампера и является той силой действия магнитного поля на проводник, по которому идет ток. Сила Ампера вычисляется по формуле как результат умножения плотности тока, идущего по проводнику на индукцию магнитного поля, в котором находится проводник. Как результат формула силы Ампера будет выглядеть так
са=ст*дчп*ми
Где, са – сила Ампера, ст – сила тока, дчп – длина части проводника, ми – магнитная индукция.
Правило левой руки
Правило левой руки предназначено для того, чтобы помочь запомнить, куда направлена сила Ампера. Оно звучит следующим образом: если рука занимает такое положение, что линии самой магнитной индукции внешнего поля заходят в ладонь, а пальцы с мизинца по указательный указывают направление в сторону движения тока в проводнике, то отторгнутый под углом в 90 градусов большой палец ладони и будет указывать, куда направлена сила Ампера, действующая на элемент проводника.
Примерно так выглядит правило левой руки на этой схеме.
Применение силы Ампера
Применение силы Ампера в современном мире очень широкое, можно даже без преувеличение сказать, что мы буквально окружены силой Ампера. Например, когда вы едете в трамвае, троллейбусе, электромобиле, его в движение приводит именно она, сила Ампера. Аналогичны лифты, электрические ворота, двери, любые электроприборы, все это работает именно благодаря силе Ампера.
Сила Ампера, видео
И в завершение небольшой видео урок о силе Ампера.
Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка
При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту [email protected] или в Фейсбук, с уважением автор.
Сила Ампера и сила Лоренца
Открытый урок по физике.
Преподаватель Евплова В.Ю.
Место проведения урока – группа ЭО – 105
Тема: Действие магнитного поля на проводник с током и на движущийся заряд.
Цели:
1. Образовательная:
1.1. Проверить знания студентов по теме «Магнитное поле и его свойства»
1.2. Изучить действие магнитного поля на проводник с током и на движущийся заряд.
2. Воспитательная:
2.1. Воспитание внимания, логического мышления и подготовка студентов к осознанию выбранной профессии.
3. Развивающая:
3.1. Развитие познавательных интересов к изучению дисциплины и творческих способностей студентов.
Обеспечение урока:
Оборудование для демонстрации действия силы Ампера.
Учебник по физике.
Раздаточный материал.
Тест – задания.
Вид занятия: Комбинированный урок.
План урока:
Организационный момент – 5 минут.
Контроль знаний по материалу предыдущего урока:
2.1 Фронтальный опрос – 5 минут.
2.2 Тест – контроль – 10 минут.
2.3 Демонстрация студентами действия магнитного поля (работа в микрогруппах) – 25 минут.
3. Объяснение нового материала – 20 минут.
4. Закрепление – 20 минут.
5. Домашнее задание – 5 минут.
6. Подведение итогов.
Ход урока:
1.Вступительное слово преподавателя:
Практической целью нашего урока является закрепление изученного материала, проверка знаний, полученных на предыдущих занятиях. Вам будут предложены несколько теоретических вопросов и небольшой тест по теме: «Магнитное поле и его характеристики». Затем группа будет разделена на 7 микрогрупп, внутри микрогруппы выбирается бригадир. Всем микрогруппам будут предложены карточки с заданиями. Ознакомившись с заданием, надо выбрать на столе преподавателя нужные вам предметы и приборы. Отчет оформляется в виде таблицы, в которой надо ответить на четыре вопроса: что взяли, что делали, что получили и почему? Ответ должен быть обоснован с физической точки зрения. Отчеты от микрогрупп сдаются на проверку. Точно такую же таблицу рисуем в рабочей тетради и заносим туда данные, полученные в других микрогруппах. Делаем общий вывод.
После практической части мы будем изучать новый материал: «Сила, действующая в магнитном поле на проводник с током и на движущийся заряд». В качестве закрепления нового материала, вам будут предложены карточки с заданиями.
В заключительной части урока подводятся итоги, выставляются оценки, дается задание на дом.
2.1. Фронтальный опрос:
Что является источником магнитного поля?
Как можно обнаружить магнитное поле?
Как графически можно изобразить магнитное поле?
Что является силовой характеристикой магнитного поля?
Что является энергетической характеристикой магнитного поля?
Как применить правило буравчика для прямолинейного и для кругового проводника с током?
Какие физические величины измеряют в Вебер и Тесла?
2.2. Тест–задания на два варианта выдаются студентам.
Для выполнения практического задания, группа делится на микрогруппы во главе с бригадирами. Бригадир выбирает определенное задание и подбирает оборудование для эксперимента. Затем совместно проводят опыт, объясняют, что получили и почему?
2.3. Практические задания:
1. Повторите опыт Эрстеда. Объясните увиденное с точки зрения физики.
2. Проверьте, будет ли магнит притягивать мелкие гвозди через стекло, картон, алюминий.
3. К полюсам подковообразного магнита поднести стальные булавки (гвозди). Как расположатся булавки, если их поднести к одноименным полюсам магнита? Объясните почему?
4. Как можно изготовить постоянный магнит? Проделайте опыт и определите полюса электромагнита.
5. Можно ли с помощью компаса определить полюса магнита. Если он лежит в коробке из картона, жести, стекла, в песке? Объясните почему?
6. С помощью металлических опилок воспроизведите линии магнитной индукции двух одноименных и двух разноименных магнитов. Объясните опыт.
7. Намагнитьте ножовочное полотно путем внесения в катушку с током, подвесьте за середину и посмотрите, как оно ориентируется. Можно ли им пользоваться как магнитом?
Отчет оформляется в виде таблицы, отвечая на вопросы по всем заданиям.
3.Объяснение нового материала: «Сила, действующая в магнитном поле на проводник с током и на движущийся заряд».
Сила Ампера
На проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует сила, равная
F = I·L·B·sin
I — сила тока в проводнике;
B — модуль вектора индукции магнитного поля;
L — длина проводника, находящегося в магнитном поле;
— угол между вектором магнитного поля и направлением тока в проводнике.
Силу, действующую на проводник с током в магнитном поле, называют силой Ампера.
Максимальная сила Ампера равна:
F = I·L·B
Ей соответствует
Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки: если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции В входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление силы, действующей на отрезок проводника с током, то есть силы Ампера.
Сила Лоренца
Так как электрический ток представляет собой упорядоченное движение зарядов, то действие магнитного поля на проводник с током есть результат его действия на отдельные движущиеся заряды.
Силу, действующую со стороны магнитного поля на движущиеся в нем заряды, называют силой Лоренца.
Сила Лоренца определяется соотношением:
Fл = q·V·B·sin
где q — величина движущегося заряда;
V — модуль его скорости;
B — модуль вектора индукции магнитного поля;
— угол между вектором скорости заряда и вектором магнитной индукции.
Обратите внимание, что сила Лоренца перпендикулярна скорости и поэтому она не совершает работы, не изменяет модуль скорости заряда и его кинетическую энергию. Но направление скорости изменяется непрерывно
Сила Лоренца перпендикулярна векторам В и v , и её направление определяется с помощью того же правила левой руки, что и направление силы Ампера: если левую руку расположить так, чтобы составляющая магнитной индукции В, перпендикулярная скорости заряда, входила в ладонь, а четыре пальца были направлены по движению положительного заряда (против движения отрицательного), то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление действующей на заряд силы Лоренца F л.
Сила Лоренца зависит от модулей скорости частицы и индукции магнитного поля. Эта сила перпендикулярна скорости и, следовательно, определяет центростремительное ускорение частицы. Частица равномерно движется по окружности радиуса r.
Закрепление.
Выдаются карточки с заданием, определить направление силы Лоренца, скорости, вектора магнитной индукции и знака заряда. Работа не требует расчётов, основана на знании и умении применять правило левой руки.
Домашнее задание: В.Ф. Дмитриева. Физика. Глава 13. Параграф 108 ,112, 113.
Доклад: «Практическое применение силы Лоренца в измерительных приборах».
Подведение итогов.
Преподаватель выставляет оценки, выясняет все ли понятно в новом материале и отвечает на вопросы студентов.
Ответы@Mail.Ru: уважаемые физики, приведите мне пример практического использования сил
Уважаемая Ариель! Наибольшее применение сила Ампера получила в электродвигателях содержащих обмотку на роторе: асинхронных, постоянного тока, синхронных с электромагнитным возбуждением. Следует отметить что более 65% всей вырабатываемой в стране электроэнергии потребляется этими устройствами. Наибольшее применение сила Лоренца получила в устройствах называемых теливизорами (с ЭЛТ) , а именно изменеие направления электрона в электронно-лучевой трубке производится за счет силы Лоренца. Удачи!
Электродвигатели и генераторы.
В различного рода устройствах, предназначенных для регестрации заряженных частиц.
Как связана сила Лоренца и сила Ампера? Объясните, пожалуйста.
Сила Лоренца действует на отдельные заряженные частицы, движущиеся в магнитном поле, а сила Ампера на проводники с током. Так как ток в проводниках это поток заряженных частиц, то просуммировав все силы Лоренца, действующие на них, получим силу Ампера.
в учебник лень глянуть?
Сила Ампера и есть сила Лоренца для электронов в проводниках.
Сила Ампера связана с силой Лоренца посредством сложных интегральных преобразований
Сила Ампера это частный случай силы Лоренца
<a rel=»nofollow» href=»http://abitur.by/fizika/teoreticheskie-osnovy-fiziki/magnetizm/sila-ampera/» target=»_blank»>http://abitur.by/fizika/teoreticheskie-osnovy-fiziki/magnetizm/sila-ampera/</a>
