Site Loader

Содержание

Работа силы Лоренца

Механическая работа А равна скалярному произведению силы на перемещение, которое произошло под действием этой силы:

А = (FS) = FScosα

где α -угол между направлением силы и перемещения.

Если этот угол равен 900, работа силы равна нулю.

Поэтому полная работа силы Лоренца всегда равна нулю

Движение заряженной частицы в магнитном поле

Введение

Виды движения материальной точки:

равномерное прямолинейное, а=0, F=0

равноускоренное, a=const,

равномерное движение по окружности,

Рассмотрим различные случаи движения заряженной частицы в магнитном поле

  1. Частица влетает в магнитное поле перпендикулярно силовым линиям.

Определить направление силы Лоренца и нарисовать траекторию движения частицы.

Сила, действующая на частицу, перпендикулярна скорости, поэтому траектория движения частицы

– окружность.

Определим радиус траектории частицы

По второму закону Ньютона F = ma

равнодействующая сила — сила Лоренца,

угол α равен 90 0F = BqVsinα = BqV

центростремительное ускорение

Подставляя F и а в уравнение 2го закона Ньютона, получаем

откуда для радиуса:

размерность радиуса – метр

Задача: в камере Вильсона получены треки α-частицы и протона. Радиусы траекторий частиц одинаковы. Сравнить скорости движения частиц.

Пояснение: α- частица – это ядро гелия. В ее состав входит 2 протона и 2 нейтрона. Поэтому заряд α – частицы в 2 раза больше заряда протона, а масса – в 4 раза.

Дано

mα = 4 mp

qα = 2 qp

Rα = Rp

Vα/Vp — ?

Ответ: Vp=2Vα

Период обращения частицы в магнитном поле

Период обращения частицы по окружности определяется формулой (1)

радиус окружности найден (2)

подставляя (2) в (1), получаем

откуда

Размерность периода

Вопрос: Как зависит период обращения частицы в магнитном поле от ее скорости?

Ответ: Период обращения частицы в магнитном поле не зависит от ее скорости

  1. Частица влетает в магнитное поле под углом к силовым линиям

Выберем оси координат как показано на рисунке.

Обозначим на чертеже проекции скорости частицы на направление магнитной индукции и на ось Х

Сила Лоренца

направлена перпендикулярно чертежу, от нас

Траектория движения частицы – спираль

радиус витка спирали

  1. Частица влетает в магнитное поле параллельно силовым линиям

равнодействующая сил, приложенных к частице, равна нулю => движение равномерное прямолинейное, траектория движения частицы – прямая линия.

Вопрос А. Первоначально неподвижный электрон помещен в магнитное поле с индукцией В. Описать движение электрона. Пояснить ответ.

Электрон будет оставаться в покое, потому что магнитное поле на покоющийся заряд не действует

Вопрос В. Частица движется в перекрывающихся магнитном и электрическом полях. Может ли ее движение быть равномерным прямолинейным?

Может, если векторная сумма силы Лоренца и электрической силы равна нулю. Это возможно, если поля перпендикулярны друг другу (см чертеж)

Решение

Движение частицы будет равномерным

прямолинейным, если действующие на нее силы

уравновешены. Это может произойти, например,

при таком расположении полей.

Условие равновесия: FL = FE; BqV = Eq; V = B/E

Методическая разработка по теме 3.11 Сила Лоренца. Движение заряженной частицы в магнитных и электрических полях.

ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

НОВОСИБИРСКОЙ ОБЛАСТИ

«БАРАБИНСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ КОЛЛЕДЖ»

Рассмотрена на заседании

ЦМК ОГСЭД

Протокол № ___________

от ____________ 2018 г.

Председатель ЦМК

Хританкова Н. Ю.

(Ф. И. О.)

______________________

(подпись)

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

КОМБИНИРОВАННОГО ЗАНЯТИЯ ДЛЯ ПРЕПОДАВАТЕЛЯ

Специальность 34.02.01 Сестринское дело (с базовой подготовкой)

Дисциплина: «Физика»

Раздел 3 Электродинамика. Колебания и волны. Оптика

Тема 3.11 Сила Лоренца. Движение заряженной частицы в магнитных и электрических полях.

Разработчик – преподаватель Вашурина Т. В.

2018

СОДЕРЖАНИЕ

Методический лист

3

Примерная хронокарта занятия

5

Исходный материал

9

Приложение №1 Контроль знаний по предыдущей теме

14

Приложение №2 Задания для закрепления и систематизации новых знаний

17

Приложение №3 Задания для предварительного контроля знаний

18

Приложение №4 Контролирующий материал

19

Задание для самостоятельной внеаудиторной работы студентов

20

Список использованных источников

21

Выписка из рабочей программы дисциплины «Физика»

для специальности 34.02.01 Сестринское дело (с базовой подготовкой)

Наименование разделов и тем

Содержание учебного материала, лабораторные и практические работы, самостоятельная работа обучающихся, курсовая работ (проект) (если предусмотрены)

Объем часов

Тема 3.11 Сила Лоренца. Движение заряженной частицы в магнитных и электрических полях

Содержание учебного материала

2

Правило левой руки для определения действия силы Лоренца на зараженную частицу. Радиус и период обращения частицы в магнитном поле.

Лабораторная работа

Практическое занятие

Контрольная работа

Самостоятельная работа обучающихся:

— Работа с электронным приложением к учебнику «Физика 11»;

— работа с учебником, выполнение упражнений [2, с. 16-26, с.26 упр. 1 (2)];

— работа с конспектом лекции.

1

МЕТОДИЧЕСКИЙ ЛИСТ

Тип занятия: комбинированный урок.

Вид занятия: беседа, объяснение с демонстрацией наглядных пособий, решение задач.

Продолжительность: 90 минут.

ЦЕЛИ ЗАНЯТИЯ

Учебные цели: сформировать представления о роли и месте физики в современной научной картине мира; понимание физической сущности наблюдаемых во Вселенной явлений через изучение понятия силы Лоренца, движение заряженной частицы в магнитных и электрических полях; понимание роли физики в формировании кругозора и функциональной грамотности человека для решения практических задач; способствовать формированию умения владеть основополагающими физическими понятиями, уверенно пользоваться физической терминологией и символикой. Способствовать формированию умения организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения упражнений (ОК 2).

Развивающие цели: развивать интерес к будущей профессии, понимание сущности и социальной значимости (ОК 1), способствовать формированию умения решать физические задачи.

Воспитательные цели: способствовать развитию коммуникативных способностей; создавать условия для развития скорости восприятия и переработки информации, культуры речи; формировать умение работать в коллективе и команде (ОК 6).

Методы обучения: объяснительно-иллюстративный с использованием информационных технологий, репродуктивный.

Место проведения: аудитория колледжа.

МОТИВАЦИЯ

Тема 3.11 «Сила Лоренца. Движение заряженной частицы в магнитных и электрических полях» входит в программу по учебной дисциплине «Физика» и занимает значительное место, т.к. знания, полученные при изучении данной темы необходимы для изучения многих тем как в рамках программы по физике, так и при изучении смежных дисциплин (химия, математика). Опасность работы с электроприборами заключается в том, что ток, магнитное поле тока и напряжение не имеют внешних признаков, которые позволили бы человеку при помощи органов чувств (зрения, слуха, обоняния) обнаружить грозящую опасность и принять меры предосторожности. 

Действие электрического тока на живые организмы было открыто итальянским учённым Луиджи Гальвани. Ноябрьским днём 1770 г. он был поражён странным явлением: находившиеся на столе обезглавленные лягушки, над которыми профессор проводил опыты, вздрагивали. Их лапки вздрагивали каждый раз, когда из стоящей в кабинете электростатической машины извлекали яркие искры. Особенно сильными были содрогания лапок, когда к ним были присоединены проволоки, свисавшие до земли.

Ныне Гальвани считают основоположником электрофизиологии, раздела медицины оказывающее положительное влияние на организм человека. Кратковременные высоковольтные электрические разряды через сердце помогают иногда предотвратить смерть пациента при тяжёлом нарушении сердечной деятельности.

На данное занятие отводится 2 учебных часа. Во время комбинированного занятия проводится актуализация знаний в форме устного опроса, с целью проверки остаточных знаний, которые необходимых при изучении нового материала; непосредственное изучение нового материала; первичного закрепление нового материала с помощью решения задач по данной теме. Контроль уровня усвоения нового материала проводится в форме тестирования студентов. Каждому образованному человеку необходимо непрерывно пополнять свои знания в области физики, развивать интерес к будущей профессии, понимать сущность и социальную значимость (ОК 1), научиться организовывать свою деятельность, уметь выбирать методы и способы выполнения задач и в дальнейшем оценивать их качество (ОК2), а также необходимо для будущего медицинского работника научится работать в коллективе и команде (ОК6).

ПРИМЕРНАЯ ХРОНОКАРТА КОМБИНИРОВАННОГО ЗАНЯТИЯ

п/№

Наименование этапа

Время

Цель этапа

Деятельность

Оснащение

преподавателя

студентов

-1-

-2-

-3-

-4-

-5-

-6-

-7-

Организационный этап

2

Организация начала занятия, формирование способности организовывать собственную деятельность (ОК 2).

Приветствие. Проверка готовности аудитории. Отмечает отсутствующих студентов в журнале.

Староста называет отсутствующих студентов. Студенты приводят в соответствие внешний вид, готовят рабочие места.

Журнал, тетради для конспектов.

Контроль знаний по предыдущей теме

15

Оценка уровня сформированности знаний по предыдущей теме. Развитие грамотной речи обучающихся, самоконтроль своих знаний.

Инструктирует и проводит контроль знаний.

Повторяют домашнее задание, отвечают устно.

Вопросы для устного опроса. Приложение 1.

Мотивационный этап и целеполагание

3

Развитие интереса к будущей профессии, понимания сущности и социальной значимости (ОК 1), установка приоритетов при изучении темы.

Объясняет студентам важность изучения данной темы, озвучивает цели занятия.

Слушают, задают вопросы, записывают новую тему в тетради.

Методическая разработка комбинированного занятия, мультимедийная презентация.

Изложение исходной информации

20

Формирование знаний, понимания сущности и социальной значимости своей будущей профессии (ОК 1),

Формирование представления о роли и месте физики в современной научной картине мира; понимание физической сущности наблюдаемых во Вселенной явлений через изучение понятия силы Лоренца, движение заряженной частицы в магнитных и электрических полях; понимание роли физики в формировании кругозора и функциональной грамотности человека для решения практических задач; способствовать формированию умения владеть основополагающими физическими понятиями, уверенно пользоваться физической терминологией и символикой.

Излагает новый материал, демонстрирует презентацию.

Слушают, читают материал на слайдах, записывают.

Методическая разработка (исходный материал), мультимедийное оборудование, мультимедийная презентация.

Выполнение заданий для закрепления знаний

15

Закрепление, систематизация, обобщение новых знаний. Отработать навык решения задач. Организация собственной деятельности, выбор типовых методов и способов решения задач, оценка их выполнения (ОК2).

Инструктирует и контролирует выполнение заданий, обсуждает правильность ответов, отвечает на вопросы студентов.

Выполняют задания, слушают правильные ответы после выполнения, вносят коррективы, задают вопросы.

Физика 10 Разноуровневые самостоятельные и контрольные работы А. Кирик стр.158 начальный уровень №1-6, стр. 160 достаточный уровень №1,2, 5,6.

Предварительный контроль новых знаний

10

Оценка эффективности занятия и выявление недостатков в новых знаниях.

Инструктирует и проводит контроль.

Устно отвечают на вопросы.

Вопросы для предварительного контроля знаний.

Приложение 3.

С. р.

Итоговый контроль. Взаимопроверка

20

Закрепление материала, формирование умения делать выводы, обобщать.

Формирование умения работать в команде (ОК6). Контроль усвоения знаний и умений учащихся.

Контролирует ход работы.

Контролирует взаимопроверку, поясняет критерии оценки.

Работают в малых группах, решают задачи по образцу (письменно).

Предоставляют выполненное задание, сопоставляют ответы с эталонами, выставляют оценки.

Контролирующий материал.

Приложение 4.

Слайд презентации с эталонами ответов и критериями отметки.

Подведение итогов занятия

3

Развитие эмоциональной устойчивости, дисциплинированности, объективности оценки своих действий, умения работать в коллективе и команде (ОК6).

Оценивает работу группы в целом. Объявляет оценки, мотивирует студентов, выделяет наиболее подготовленных.

Слушают, участвуют в обсуждении, задают вопросы.

Журнал группы.

Задание для самостоятельной внеаудиторной работы студентов

2

Определить объем информации для самостоятельной работы студента, обратить внимание на значимые моменты.

Дает задание для самостоятельной внеаудиторной работы студентов, инструктирует о правильности выполнения, критериях оценивания.

Записывают задание.

Слайд презентации с домашним заданием.

ИСХОДНЫЙ МАТЕРИАЛ

План изложения учебного материала по теме

«Сила Лоренца. Движение заряженной частицы в магнитных и электрических полях»

  1. Сила Лоренца.

  2. Правило левой руки.

  3. Движение заряженной частицы в магнитном поле.

  4. Движение заряженной частицы в электрическом поле.

  1. 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.

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: 

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  и вектором магнитной индукции  .

  1. Правило левой руки.

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.

ПРАВИЛО ЛЕВОЙ РУКИ для заряженной частицы с целью определения направления силы, действующей на отдельную заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле. Если ЛЕВУЮ РУКУ расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно к ней, а четыре пальца были направлены по движению положительно заряженной частицы (или против движения отрицательно заряженной частицы), то отставленный на 90 градусов большой палец покажет направление действующей на частицу силы.

Взаимное расположение векторов ,  и  для положительно заряженной частицы показано на рисунке.

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 .

  1. Движение заряженной частицы в магнитном поле.

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.

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 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). 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.

  1. Движение заряженной частицы в электрическом поле.

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.

ПРИЛОЖЕНИЕ №1

КОНТРОЛЬ ЗНАНИЙ ПО ПРЕДЫДУЩЕЙ ТЕМЕ (устно)

«Действие магнитного поля на проводник с током. Закон Ампера. Магнитный поток. Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле»

  1. Объясните действие магнитного поля на проводник с током.

Ответ: Опыты Ампера показывают, что два проводника притягиваются или отталкиваются в зависимости от направления тока в них. Это взаимодействие объясняется тем, что сила, которую испытывает каждый из проводников, обусловлена магнитным полем, создаваемым током другого проводника.

Магнитное поле действует с некоторой силой на любой проводник с током, находящийся в этом поле.

Расположим проводник с током (см. рис. 1) так, чтобы только один прямолинейный участок его аb оказался в сильном магнитном поле (между полюсами подковообразного магнита), а остальные части цепи находились в областях пространства, где магнитное поле слабое и его действием на эти части цепи можно пренебречь.

Опыт показывает, что в зависимости от направления тока и от расположения полюсов магнита проводник аb движется вправо или влево, вверх или вниз. На проводники, расположенные вдоль направления магнитного поля, силы не действуют.

Рис. 1

  1. Сформулируйте понятие силы Ампера.

Ответ: Силу, действующую на проводник с током в магнитном поле, называют силой Ампера. Направление силы Ампера можно определить, пользуясь правилом левой руки: руку располагают так, чтобы нормальная к проводнику составляющая магнитной индукции входила в ладонь, четыре вытянутых пальца были направлены по току: тогда отогнутый на 90° большой палец укажет направление действующей на проводник силы Ампера (рис. 1).

  1. Запишите и сформулируйте закон Ампера.

Ответ: Ампер установил экспериментально, что модуль этой силы тем больше, чем сильнее магнитное поле , чем больше сила тока  в проводнике, чем больше длина проводника  и зависит от ориентации проводника в магнитном поле:

,

где  — угол между направлением тока в проводнике и вектором магнитной индукции.

Эта формула является математическим выражением закона Ампера. Ею можно пользоваться только тогда, когда длина проводника такова, что индукция во всех точках проводника может считаться одинаковой, но если магнитное поле однородное, то длина проводника может быть любой, но при этом проводник целиком должен находиться в поле. Интерес представляет вращение прямоугольной рамки с током в однородном магнитном поле.

Силы, действующие на проводник с током в магнитном поле, широко используются в технике. Электродвигатели и генераторы, устройства для записи звука в магнитофонах, телефоны и микрофоны — во всех этих и во множестве других приборов и устройств используется взаимодействие токов, токов и магнитов и т.д.

  1. Дайте определение магнитного потока.

Рис. 2

Ответ: На рисунке 2 показано однородное магнитное поле. Однородное означает одинаковое во всех точках в данном объеме. В поле помещена поверхность с площадью S. Линии поля пересекают поверхность.

Определение магнитного потока:

Магнитным потоком Ф через поверхность S называют количество линий вектора магнитной индукции B, проходящих через поверхность S.

Формула магнитного потока:

Ф = BS cos α

здесь α — угол между направлением вектора магнитной индукции B и нормалью к поверхности S.

  1. Опишите случай максимального и минимального магнитного потока, его единицы измерения.

Ответ: Из формулы магнитного потока видно, что максимальным магнитный поток будет при cos α = 1, а это случится, когда вектор B параллелен нормали к поверхности S. Минимальным магнитный поток будет при cos α = 0, это будет, когда вектор B перпендикулярен нормали к поверхности S, ведь в этом случае линии вектора B будут скользить по поверхности S, не пересекая её.

А по определению магнитного потока учитываются только те линии вектора магнитной индукции, которые пересекают данную поверхность.

Измеряется магнитный поток в веберах (вольт-секундах): 1 вб = 1 в * с. Кроме того, для измерения магнитного потока применяют максвелл: 1 вб = 108 мкс. Соответственно 1 мкс = 10-8 вб.

Магнитный поток является скалярной величиной.

  1. Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле.

Ответ: Так как на проводник с током в магнитном поле действует силы, то, очевидно, при перемещении этого проводника будет совершаться работа.

Поскольку в рассматриваемом случае направления силы и перемещения совпадают и так как , то имеем:

Если произведение BS обозначить через , то получим, что работа при перемещении проводника с током в магнитном поле выражается формулой:

Критерии оценки:

Оценка «5» — на поставленный вопрос студент дал полный развернутый ответ и ответил на дополнительный вопрос;

Оценка «4» — на поставленный вопрос студент дал полный развернутый ответ, но не ответил на дополнительный вопрос;

Оценка «3» — на поставленный вопрос студент дал неполный ответ и не смог ответить на дополнительный вопрос;

Оценка «2» — не ответил на поставленный вопрос.

ПРИЛОЖЕНИЕ №2

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ И СИСТЕМАТИЗАЦИИ НОВЫХ ЗНАНИЙ (письменно, не оценивается)

Физика 10 Разноуровневые самостоятельные и контрольные работы А. Кирик стр.158 начальный уровень №1-6, стр. 160 достаточный уровень №1,2, 5,6.

Эталоны ответов к заданиям для закрепления и систематизации

Уровень /№

1

2

3

4

5

6

Начальный уровень

Б

А

Б

А

А

А

Достаточный уровень

1

2

5

6

Электрон будет двигаться вправо.

Протон будет отклоняться влево.

Решение задачи неоднозначно. Имеется несколько вариантов ее решения.

Решение задачи неоднозначно. Если частица положительная, то она движется от нас, если отрицательная, то к нам.

ПРИЛОЖЕНИЕ № 3

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ

(Устно, не оценивается. Эталоны ответов к вопросам для предварительного контроля знаний содержатся в исходном материале)

  1. Сформулируйте определение силы Лоренца.

  2. По какому правилу можно определить направление силы Лоренца?

  3. Какой формулой определяется сила, действующая со стороны магнитного поля на движущуюся заряженную частицу?

  4. В каком случае сила Лоренца не совершает работу?

  5. По какой формуле можно рассчитать радиус окружности, по которой будет двигаться частица в магнитном поле?

  6. Чему равен период обращения частицы в однородном магнитном поле?

  7. В каких устройствах используется движение заряженных частиц в однородном магнитном поле?

  8. Что позволяет измерять современный масс-спектрометр?

ПРИЛОЖЕНИЕ №4

КОНТРОЛИРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ (письменно)

Тест

1 Магнитное поле действует на …

a. Любые заряженные частицы.

b. Только на движущиеся заряженные частицы.

c. Только на неподвижные заряженные частицы.

d. На заряженные частицы не действует.

2. Сила Лоренца – это сила, действующая …

a. Со стороны магнитного поля на заряженную частицу.

b. На магнит, со стороны электрически заряженного тела.

c. На проводник с током в электрическом поле.

d. На проводник с током в магнитном поле.

3. При помощи правила левой руки можно определить

a. Направление силы Лоренца

b. Направление линий магнитной индукции

c. Направление силы Ампера

d. Направление северного полюса магнита

4. Куда направлена сила Лоренца, действующая на протон, влетающий в магнитное поле так, как пока­зано на рисунке?

a. влево b. вправо c. к нам d. от нас

5. Определите по правилу левой руки направление скорости движения заряженной частицы:

a. вверх b. вниз c. к нам d. от нас

Эталоны ответов к заданиям контролирующего материала

Номер задания

1

2

3

4

5

Ответы

b

a

а, с

d

а

Критерии оценки:

за 3 правильно выполненных задания – «3» балла;

за 4 правильно выполненных задания – «4» балла;

за 5 правильно выполненных заданий – «5» баллов.

ЗАДАНИЕ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ВНЕАУДИТОРНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ

Цель: Определить объем информации для самостоятельной работы студента, обратить внимание на значимые моменты.

Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Соцкий, Физика. 11 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений (с приложением на электронном носителе). Базовый и профильный уровни — М.: Просвещение, 2011 г., с. 16-26,параграфы 6, 7 прочитать, конспект выучить; с. 26 упр. 1 (2).

Критерии оценки: студент выучил конспект – «3» балла;

студент выучил конспект, владеет информацией из учебника – «4» балла;

студент выучил конспект, владеет информацией из учебника, ответил на дополнительный вопрос или решил задачу – «5» баллов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

  1. Образовательный портал. Тест с ответами на тему Сила Лоренца [Электронный ресурс]/ Physics // Режим доступа: https://physics.ru/courses/op25part2/content/chapter1/section/paragraph28/theory.html

  2. Подготовка к ЕГЭ. Тест Сила Лоренца [Электронный ресурс]/ Compedu // Режим доступа: https://compedu.ru/publication/podgotovka-k-ege-test-sila-lorentsa.html

  3. Тест Магнитное поле [Электронный ресурс]/ Schooltests // Режим доступа: http://www.schooltests.ru/11/07_magnitnoe_pole.pdf

  4. Тест по теме «Магнетизм» [Электронный ресурс]/ kopilkaurokov // Режим доступа: https://kopilkaurokov.ru/fizika/testi/tiest-po-tiemie-maghnietizm-11-klass

  5. Социальная сеть работников образования nsportal.ru [Электронный ресурс]/ Nsportal // Режим доступа: https://nsportal.ru/shkola/fizika/library/2017/08/28/test-po-teme-primenenie-sily-lorentsa

  6. Физика. 11 класс: Учебник для общеобразоват. учреждений с приложением на электронном носителе: базовый и профильный уровни: [Текст]/ Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н.Н. Соцкий.-20-е изд. — М. : Просвещение, 2011. – 399 с.

Сила Лоренца

Цели:

  • Учебные: ввести формулу силы Лоренца и формировать общеучебные навыки работы с компьютером и исследовательских умений;
  • Развивающие: развитие логического мышления учащихся, по формированию умения строить индуктивные выводы;
  • Воспитательные: формировать познавательный интерес; положительной мотивации к учению; дисциплинированности эстетического восприятия мира.

Организационные формы и методы обучения: 

  • традиционные – беседа на вводном этапе урока;
  • инновационные – изучение нового учебного материала с помощью компьютера.

Средства обучения:

  • инновационные – компьютеры, сетевая версия программы «Открытая физика 2.5»;
  • печатные – лабораторные листы для компьютерного эксперимента.

План урока: 

  1. Актуализация знаний и мотивация;
  2. Изучение новой темы на компьютере;
  3. Компьютерный эксперимент;
  4. Просмотр задач с готовыми решениями;
  5. Подведение итогов;
  6. Домашнее задание.

Ход урока

1. Актуализация знаний и мотивация.

Сообщение новой темы урока и беседа о возможностях программы «Открытая физика».

2. Изучение новой темы на компьютере.

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.

F = IBΔl sin α

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

Выражение для силы Ампера можно записать в виде:

F = qnSΔlυB sin α.

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

FЛ = qυB 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 υ, B и F для положительно заряженной частицы показано на рис.1


Рисунок 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

Сила Лоренца в этом случае играет роль центростремительной силы (рис. 2).


Рисунок 2.

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. 3.


Рисунок 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 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.

3. Компьютерный эксперимент


Модель 1. Движение заряда в магнитном поле

На заряженную частицу с зарядом q, движущуюся со скоростью υ в магнитном поле с индукцией B, действует сила Лоренца:

FЛ = qυB sin α ,

где α – угол между векторами υ и B. Сила Лоренца работы не совершает, так как всегда направлена перпендикулярно скорости заряженной частицы. Если вектор скорости υ частицы в однородном магнитном поле B направлен перпендикулярно вектору магнитной индукции B то частица будет равномерно двигаться по окружности радиуса

R = mυ / qB.

Если скорость частицы имеет составляющую, параллельную вектору B то частица будет двигаться по спирали.

Компьютерная модель иллюстрирует движение заряженной частицы в однородном магнитном поле. Можно изменять значения составляющих скорости частицы и индукцию магнитного поля. Программа позволяет вычислить радиус траектории и время одного цикла. Обратите внимание, что сила Лоренца, действующая на движущуюся заряженную частицу, всегда перпендикулярна ее скорости.

Компьютерная лабораторная работа: Движение заряда в магнитном поле.

Вариант 1.

Класс _______________ Фамилия _______________ Имя _______________

Практические задания и вопросы

  1. Откройте в программе «Открытая Физика 2.5» в разделе «Электричество и магнетизм» компьютерную модель «Движение заряда в магнитном поле а».
  2. Выполните компьютерный эксперимент (задача 1)
  3. Запишите ответ 1-ой задачи B = ______
  4. Выполните компьютерный эксперимент (задача 2)
  5. Запишите ответ 2-ой задачи R = ______
  6. Выполните компьютерный эксперимент (задача 3)
  7. Запишите ответ 3-ей задачи R = ______, t = ______
  8. Выполните компьютерный эксперимент (задача 4)
  9. Запишите ответ 4-ой задачи R = ______

4. Просмотр задач с готовыми решениями.

В камере лабораторной установки создано магнитное поле, вектор магнитной индукции B которого направлен вертикально вверх и равен по модулю B = 1,2 мТл. В камеру влетает протон с кинетической энергией K = 5,3 МэВ. Вектор скорости протона направлен горизонтально. Определите ускорение a, с которым будет двигаться протон в камере, а также радиус R кривизны траектории. Масса протона mp = 1,67·10–27 кг.

Решение:

Сила Лоренца, действующая на движущуюся в магнитном поле заряженную частицу, зависит от ее скорости, которая может быть выражена через кинетическую энергию частицы

Протон движется с огромной скоростью. Однако эта скорость все же значительно меньше скорости света c = 3·108 м/с. Поэтому движение протона можно рассматривать на основе законов классической механики.

Сила Лоренца FЛ направлена перпендикулярно скорости частицы

FЛ = qυB sin α,

где q – заряд протона, равный элементарному заряду e = 1,602·10–19 Кл, α – угол между направлениями векторов υ и B. В условиях данной задачи α = 90°, sin α = 1. Сила Лоренца создает центростремительное ускорение a:

Под действием силы Лоренца протон будет двигаться в однородном магнитном поле по дуге окружности, радиус R которой находится из условия

Таким образом, в условиях лабораторного опыта отклонение вектора скорости протона от первоначального направления будет весьма малым.

5. Подведение итогов.

Посмотреть компьютерный журнал и выписать оценки учащихся по тестам.

6. Домашнее задание

§ 22, 23 Задачи 1-3 в конце параграфа. (Касьянов)

Сила Лоренца

Действие магнитного поля на проводник с током обусловлена тем, что это поле действует на заряженные подвижные частицы в проводнике. Силу, действующую со стороны магнитного поля на заряженную частицу, называют силой Лоренца в честь голландского физика X. Лоренца, изучал движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях.

Расчеты показывают, что модуль силы Лоренца FЛ = qBsin?, где q — модуль заряда частицы, — модуль ее скорости, В — модуль вектора магнитной индукции, ? — угол между скоростью частицы и вектором магнитной индукции.

Направление силы Лоренца, действующей на положительно заряженную частицу, определяют с помощью правила левой руки:

? если раскрытую ладонь левой руки расположить так, чтобы вектор магнитной индукции входил в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление скорости положительно заряженной частицы, то отогнутый на 90 ° в плоскости ладони большой палец покажет направление силы, действующей на частицу.

На подвижное отрицательно заряженную частицу (например, электрон) сила Лоренца действует в противоположном направлении.

Поскольку сила Лоренца направлена перпендикулярно скорости частицы и вектора магнитной индукции, то работа силы Лоренца равна нулю.

Если скорость материальной точки перпендикулярна силы, действующей на нее, то эта точка движется по кругу. Получается, электрический заряд в магнитном поле будет двигаться по кругу. Следует подчеркнуть, что магнитная сила при этом является центростремительной силой, так что где R — радиус окружности. Отсюда

Таким образом,

? магнитное поле хотя и действует на частицу с некоторой силой, не меняет кинетическую энергию частицы, но изменяет только направление ее движения.

Действие магнитного поля на движущийся заряд широко используют в современной технике.

Действие магнитного поля применяют и в приборах, позволяющих разделять заряженные частицы по их удельным зарядами (q / m). Зная радиус, по которому движется частица, и ее скорость, можно найти удельный заряд частицы. Такие приборы получили название масс- спектрографов.

Особенность движения частиц: то, что более быстрые частицы движутся по кругу большего радиуса, используют при ускорении заряженных частиц в циклотронах.

Также силу Лоренца можно использовать для определения знака заряда и для исследований в ядерной физике.

категория: Физика

Сила Лоренца

Сила Лоренца
Далее: Заряженная частица в Up: Магнетизм Предыдущая: Закон Ампера


Сила Лоренца Поток электрического тока вниз проводящий провод в конечном итоге из-за движения электрически заряженные частицы (в большинстве случаев электроны) по проводу. Поэтому кажется разумным, что сила, действующая на провод, когда он помещен в магнитное поле, просто равнодействующая сил, действующих на эти движущиеся заряды.Позволь нам Предположим, что это так.

Пусть будет (равномерная) площадь поперечного сечения провода, и пусть будет числовая плотность мобильных зарядов в проводе. Предположим, что у мобильных зарядов есть заряд и скорость дрейфа. Мы должны предположить, что провод также содержит стационарные заряды с зарядовой и числовой плотностью. , скажем, так, чтобы чистая плотность заряда в проводе была равна нулю. У большинства дирижеров подвижные заряды — это электроны, а неподвижные — атомы. Величина электрического тока, протекающего по проводу, — это просто количество кулонов в секунду, которые проходят через заданную точку.За одну секунду мобильный заряд перемещается на расстояние, поэтому все заряды, содержащиеся в цилиндр площади поперечного сечения и длины обтекает заданную точку. Таким образом, величина тока составляет. Направление ток совпадает с направлением движения зарядов ( т. е. , ), так что векторный ток . Согласно формуле. (152) сила на единицу длины, действующая на провод, равна

(157)

Однако на единице длины провода есть движущиеся заряды.Итак, если предположить что на каждый заряд действует одинаковая сила магнитного поля (мы имеем нет причин предполагать обратное), магнитный сила, действующая на отдельный заряд, равна
(158)

Эта формула подразумевает, что величина магнитной силы, приложенной к движущемуся заряженная частица является произведением заряда частицы, ее скорость, напряженность магнитного поля и синус угла между направление движения частицы и направление магнитного поля.Сила направлена ​​под прямым углом как к магнитному полю, так и к магнитному полю. мгновенное направление движения.

Мы можем объединить приведенное выше уравнение с уравнением. (65) дать силу, действующую на движущийся заряд со скоростью в электрическом поле и магнитном поле :

(159)

Это называется законом силы Лоренца , в честь голландского физика. Хендрик Антун Лоренц, который первым ее сформулировал.Электрический сила, действующая на заряженную частицу, параллельна локальному электрическому полю. Однако магнитная сила перпендикулярна как местному магнитному полю. поле и направление движения частицы. Магнитная сила не действует на неподвижная заряженная частица.

г. уравнение движения свободной частицы заряда и перемещение массы в электрическом и магнитные поля

(160)

согласно закону силы Лоренца.Здесь ускорение частицы. Это уравнение движения было проверено в известном эксперименте, проведенном Кембриджским физиком Дж. Дж. Томпсон в 1897 году. Томпсон проводил расследование катодных лучей , тогда загадочная форма излучения, испускаемого нагретым металлический элемент, находящийся под большим отрицательным напряжением ( т. е. , катод) относительно к другому металлическому элементу (, т. е. , анод) в откачанной трубке. Немецкие физики утверждали, что катодные лучи форма электромагнитного излучения, в то время как британские и французские физики подозревали что они на самом деле были потоком заряженных частиц.Томпсон смог демонстрируют, что последнее мнение было правильным. В эксперименте Томпсона катодные лучи проходят через область пересекаемых электрических и магнитных поля (все еще в вакууме). Поля перпендикулярны исходному траектории лучей, а также взаимно перпендикулярны.
Рисунок 23: Эксперимент Томпсона.
Разберем эксперимент Томпсона. Предположим, что лучи изначально движутся в -направлении и подвержены влиянию однородное электрическое поле в -направлении и однородное магнитное поле. поле в -направлении — см. рис.23. Предположим, как это сделал Томпсон, что катод лучи — это поток частиц массы и заряда. В уравнение движения частиц в -направлении имеет вид
(161)

где — скорость частиц в -направлении, а ускорение частиц в -направлении. Томпсон начал свой эксперимент с только включив электрическое поле в своем аппарате, и измерение отклонение лучей в -направлении после того, как они прошли расстояние по полю.Теперь частица, подверженная постоянное ускорение в направлении отклоняется расстояние вовремя. Таким образом,
(162)

где время полета заменено на. Эта замена только действительно, если ( т. е. , если отклонение лучи малы по сравнению с расстоянием, на которое они проходят через электрическое поле), что и предполагается. Затем Томпсон включил магнитное поле в его аппарате и отрегулировал его так, чтобы катодные лучи были больше не отклоняется.Отсутствие отклонения означает, что результирующая сила, действующая на частицы в -направлении равны нулю. Другими словами, электрические и магнитные силы точно уравновешены. Из уравнения (161) что при правильно настроенной напряженности магнитного поля
(163)

Таким образом, уравнения. (162) и (163) можно комбинировать и переставлять, чтобы получить отношение заряда к массе частицы в единицах измерения:
(164)

Используя этот метод, Томпсон сделал вывод, что катодные лучи состоят из отрицательно заряженные частицы (знак заряда виден из направление отклонения в электрическом поле) с зарядом к массе соотношение .Десять лет спустя, в 1908 году, американец Роберт Милликен провел свой знаменитый эксперимент с каплей масла , в котором он обнаружил, что мобильные электрические заряды квантуются в единицах С. Предполагая, что мобильные электрические заряды и частицы, которые составлять катодные лучи одно и то же, Эксперименты Томпсона и Милликена предполагают, что масса этих частиц кг. Конечно, это масса электрон (современное значение кг), и C — заряд электрона.Таким образом, катодные лучи, по сути, являются потоки электронов, которые вылетают из нагретого катода, а затем ускоряется из-за большой разницы напряжений между катодом и анодом.

Если на частицу действует сила, которая вызывает ее вытеснить затем работа, проделанная над частицей сила

(165)

где — угол между силой и перемещением.Однако этот угол всегда соответствует силе, действующей магнитным полем на заряженная частица, поскольку магнитная сила равна всегда перпендикулярно мгновенному направлению движения частицы. Следует, что магнитное поле не может работать с заряженной частицей. Другими словами, заряженная частица никогда не может набирать или терять энергию из-за взаимодействия с магнитное поле. С другой стороны, заряженная частица, безусловно, может получить или теряют энергию из-за взаимодействия с электрическим полем. Таким образом, магнитный поля часто используются в ускорителях частиц для управления движением заряженных частиц ( e.грамм. , по кругу), но реальное ускорение всегда осуществляется электрическими полями.

Далее: Заряженная частица в Up: Магнетизм Предыдущая: Закон Ампера
Ричард Фицпатрик 2007-07-14

Сила на движущийся заряд в магнитном поле — College Physics chapters 1-17

Каков механизм, с помощью которого один магнит оказывает силу 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.

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 FF размером 12 {F} {} на заряде qq размером 12 {q} {}, движущемся со скоростью vv размером 12 {v} {} в магнитном поле напряженностью BB размером 12 {B} { } дается

F = qvBsinθ, F = qvBsinθ, размер 12 {F = ital «qvB» «sin» θ} {}

где θθ размер 12 {θ} {} — угол между направлениями vv и B.B. размер 12 {B} {} Эту силу часто называют силой Лоренца. Фактически, именно так мы определяем напряженность магнитного поля BB размером 12 {B} {} — в терминах силы, действующей на заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле. Единица СИ для напряженности магнитного поля BB размером 12 {B} {} называется тесла (Т) в честь эксцентричного, но блестящего изобретателя Николы Тесла (1856–1943). Чтобы определить, как тесла соотносится с другими единицами СИ, мы решаем F = qvBsinθF = qvBsinθ size 12 {F = ital «qvB» «sin» θ} {} для BB размером 12 {B} {}.

B = FqvsinθB = Fqvsinθ размер 12 {B = {{F} over {ital «qv» «sin» θ}}} {}

Поскольку
sinθsinθ size 12 {θ} {}
безразмерно, тесла составляет

1 T = 1 NC⋅m / s = 1 NA⋅m1 T = 1 NC⋅m / s = 1 NA⋅m размер 12 {«1 T» = {{«1 N»} больше {C cdot «m / s ”}} = {{1 ″ N”} больше {A cdot m}}} ​​{}

(обратите внимание, что C / s = A).

Еще одна меньшая единица, называемая гауссом (G), где 1 G = 10−4T1 G = 10−4T размер 12 {1`G = ”10 ″ rSup {size 8 {- 4}}` T} {}, является 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 5 × 10–5T5 × 10–5T, размер 12 {5 раз «10» rSup {size 8 {- 5}} `T} {}, или 0,5 Гс.

Направление магнитной силы FF размером 12 {F} {} перпендикулярно плоскости, образованной vv размером 12 {v} {} и BB, как определено правилом правой руки 1 (или RHR-1), который проиллюстрирован в [ссылка].RHR-1 утверждает, что для определения направления магнитной силы на положительный движущийся заряд вы указываете большим пальцем правой руки в направлении vv, пальцами в направлении BB, а перпендикуляр к ладони указывает в направление FF. Один из способов запомнить это — это одна скорость, и поэтому большой палец представляет ее. Есть много линий поля, поэтому пальцы представляют их. Сила направлена ​​в том направлении, в котором вы толкаете ладонью. Сила, действующая на отрицательный заряд, прямо противоположна силе, действующей на положительный заряд.

Магнитные поля действуют на движущиеся заряды. Эта сила — одна из самых основных известных. Направление магнитной силы на движущийся заряд перпендикулярно плоскости, образованной vv и BB размером 12 {B} {}, и следует правилу правой руки – 1 (RHR-1), как показано. Величина силы пропорциональна размеру qq 12 {q} {}, размеру vv 12 {v} {}, размеру BB 12 {B} {} и синусу угла между vv размером 12 {v} {} и BB размером 12 {B} {}.

Подключение: заряды и магниты

На статические заряды отсутствует 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 месте, где поле Земли направлено на север параллельно земле. (Направление силы определяется правилом правой руки 1, как показано в [ссылка].)

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, направленную прямо вверх.

Стратегия

Нам дан заряд, его скорость, сила и направление магнитного поля. Таким образом, мы можем использовать уравнение F = qvBsinθF = qvBsinθ size 12 {F = ital «qvB» «sin» θ} {}, чтобы найти силу.

Раствор

Магнитная сила

F = qvbsinθ.F = qvbsinθ. размер 12 {F = ital «qvb» «sin» θ} {}

Мы видим, что sinθ = 1sinθ = 1 размер 12 {«sin» θ = 1} {}, поскольку угол между скоростью и направлением поля составляет 90º90º размер 12 {«90» rSup {size 8 {circ}} } {}.Ввод других заданных величин дает

F = 20 × 10–9C10 м / с 5 × 10–5T = 1 × 10–11C⋅м / сNC⋅м / с = 1 × 10–11N.F = 20 × 10–9C10 м / с5 × 10–5T = 1 × 10–11C⋅m / sNC⋅m / s = 1 × 10–11N.alignl {stack {
size 12 {F = left («20» умножить на «10» rSup {size 8 {- 9}} ` C вправо) влево («10 ″« »м / с» вправо) влево (5 раз «10» rSup {размер 8 {- 5}} «T вправо)} {} #
» «= 1 раз« 10 »rSup {size 8 {- «11»}} `left (C cdot« м / с »справа) left ({{N} over {C cdot« m / s »}} справа) = 1 умножить на« 10 »rSup {size 8 {- «11»}} `N». » {}
}} {}

Обсуждение

Этой силой можно пренебречь на любом макроскопическом объекте, 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».

Советы по физике: 3,7 Сила Лоренца

Мы видели, что движущийся заряд создает вокруг себя собственное магнитное поле. Следовательно, если заряд движется в магнитном поле, магнитное поле из-за движущегося заряда добавляется к магнитному полю в окружающей среде и испытывает результирующую силу.

Величина силы зависит от магнитного поля, скорости заряженной частицы и заряда движущейся частицы. Такая магнитная сила, испытываемая движущимся зарядом в магнитном поле, известна как магнитная сила Лорренца. Оно задается формулой

F = q (vxB)

Направление магнитного поля перпендикулярно как направлению движения, так и направлению магнитного поля и определяется правилом левой руки Флеминга.

Вытяните указательный, средний и большой пальцы левой руки во взаимно перпендикулярном направлении.Если указательный палец представляет направление магнитного поля, средний палец представляет направление движения, тогда большой палец указывает в направлении магнитной силы Лоренца.

В комбинированном электрическом и магнитном поле движущийся заряд испытывает как электрическую, так и магнитную силу. Следовательно, общая сила, испытываемая человеком, является векторной суммой электрической и магнитной сил. Таким образом, полная сила Лорренца, испытываемая движущейся заряженной частицей, равна

F = Fe + Fm

F = qE + q (V x B)

Теперь обсудим силу Лорренца в различных случаях:

a) Заряженная частица, движущаяся параллельно магнитному полю
Заряженная частица, движущаяся параллельно магнитному полю, не испытывает никакой магнитной силы и движется без отклонения.

б) Заряженная частица движется перпендикулярно магнитному полю.
Заряженная частица, попадая в перпендикулярное магнитное поле, будет непрерывно отклоняться и следовать по круговой траектории.

Иллюстрация заряженной частицы, входящей в перпендикулярное однородное магнитное поле
Пусть частица массы m и заряда q входит в однородное магнитное поле в перпендикулярном направлении со скоростью v. На следующей диаграмме направление магнитного поля находится в плоскости бумаги, и частица входит слева направо в точке A.

На приведенной выше диаграмме направление силы во всех точках A, B, C направлено к точке O. Она будет постоянно отклоняться от своей прямой линии радиальной силой qvB. Следовательно, он следует по круговой траектории. Теперь мы оценим радиус кругового пути, по которому движется частица.

Центростремительная сила, необходимая для движения частицы по пути радиуса r, равна
Fc = (mv2) / r

Величина доступной силы Лоренца составляет F = qvB.

Следовательно, мы можем написать

mv2 / r = qvB

Решив уравнение выше, мы получим
r = mv / q / B = p / qB

, где p — импульс частицы.

Таким образом, радиус пути, по которому проходит заряженная частица, зависит от количества движения и величины заряда частицы, а также величины магнитного поля.

Период обращения частицы
T = 2pir / v = 2pim / qB

Следовательно, частота вращения равна
f = qB / 2pim

Следует отметить, что частота не зависит от скорости.

Работа силы Лоренца над движущимся зарядом

Мы узнали, что движущийся заряд испытывает магнитное силовое магнитное поле.Когда частица движется, она перемещается. Тогда какова работа магнитной силы при отклонении частицы?

Поскольку направление магнитной силы перпендикулярно направлению движения, сила Лоренца не совершает никакой работы, и, следовательно, кинетическая энергия частицы не изменится.




Принцип и характеристики гребного винта с силой Лоренца

Журнал электромагнитного анализа и приложений
Vol.1 No. 4 (2009), Идентификатор статьи: 1115, 7 страниц DOI: 10.4236 / jemaa.2009.14034

Принцип и характеристики пропеллера с силой Лоренца

Jing ZHU

Северо-Западный политехнический университет, Сиань, Шэньси , Китай.

Электронная почта: [email protected]

Поступила 4 августа -го , 2009 г .; пересмотрено 1 сентября st , 2009 г .; принято 9 сентября , 2009.

Ключевые слова: электрическое поле, магнитное поле, собственное поле, поле излучения, сила Лоренца

РЕЗЮМЕ

В данной статье анализируются два метода создания магнитного поля: делит их на два типа: 1) Собственное поле: магнитное поле может быть создано движением электрически заряженных частиц, и его характеристика состоит в том, что оно не может быть независимым от электрически заряженных частиц.2) Поле излучения: магнитное поле может быть создано изменением электрического поля, и его характеристика состоит в том, что оно существует независимо. Пропеллер с силой Лоренца (аббревиатура LFP) использует свойство независимого существования радиационного магнитного поля. Носитель движущихся электрически заряженных частиц и устройство, генерирующее изменяющееся электрическое поле, соединены вместе, образуя систему. Когда движущиеся электрически заряженные частицы под действием силы Лоренца в радиационном магнитном поле, система достигает тяги.Как и ракетный двигатель, LFP обеспечивает движение в вакууме. LFP может генерировать движущую силу только за счет электроэнергии, и пропеллент не требуется. Главный недостаток LFP — небольшое отношение движущей силы к весу.

1. Введение

Магнитное поле, создаваемое изменяющимся электрическим полем, является разновидностью поля излучения и существует независимо. Когда движущиеся электрически заряженные частицы подвергаются действию силы Лоренца в магнитном поле, устройство, генерирующее изменяющееся электрическое поле, не подвергается воздействию какой-либо силы реакции.

2. Теоретическая основа

Как мы знаем, магнитное поле может быть создано двумя способами: один — это движение электрически заряженных частиц, а другой — изменение электрического поля [1]. Однако магнитные поля, создаваемые этими двумя методами, совершенно различны по своей природе.

Сначала мы обсудим магнитное поле, создаваемое движущимися электрически заряженными частицами. Хорошо известно, что количество электричества, переносимого электрически заряженными частицами, не зависит от состояния движения частиц.Это показывает, что когда электрически заряженные частицы создают магнитное поле из-за своего движения, количество электричества, принадлежащее частицам, не изменяется с генерацией магнитного поля. Только на распределение электрической энергии, то есть на распределение электрического поля, влияет состояние движения частиц. (Ниже мы упомянем, что даже это изменение также связано с изменениями угла наблюдения.) «Если электрическая величина, переносимая частицами, определена, магнитное поле, создаваемое частицами, полностью определяется скоростью движения частиц». [2] и является однозначной функцией скорости движения.Другими словами, когда определяется состояние движения частиц, должно существовать определенное магнитное поле, соответствующее электрически заряженным частицам. Это предполагает, что магнитное поле, создаваемое движущимися электрически заряженными частицами, является величиной состояния, которая описывает состояние движения электрически заряженных частиц. Величина состояния, которая отражает состояние физического объекта, различается в разных системах отсчета, но она не может быть отделена от физического объекта и не может быть независимой от физического объекта.Таким образом, магнитное поле, создаваемое движущимися электрически заряженными частицами, различно в разных системах отсчета. Конечно, магнитное поле не может быть независимым от электрически заряженных частиц, и это собственное поле частиц.

Поскольку магнитное поле, создаваемое движущимися электрически заряженными частицами, кинетическая энергия также принадлежит величине состояния. Они отражают состояние движения физического объекта в виде энергии. Разница между ними заключается в следующем.Состояние движения физического объекта описывается его массой в кинетической энергии, которая сосредоточена в объекте. Состояние движения электрически заряженных частиц описывается величиной электрического поля в магнитном поле, которое создается движущимися частицами и распределяется в пространстве вокруг частиц.

Затем мы обсудим магнитное поле, создаваемое изменяющимся электрическим полем. Основываясь на принципе сохранения энергии, полная энергия электромагнитного поля не изменяется в процессе генерации магнитного поля изменяющимся электрическим полем.Это указывает на то, что магнитная энергия генерируется непрерывно, а электрическая энергия в то же время непрерывно уменьшается. Магнитная энергия преобразуется из уменьшенной электрической энергии. То, что магнитное поле создается изменяющимся электрическим полем, — это процесс преобразования электрической энергии в магнитную. Электрическая энергия и магнитная энергия локализованы в электрическом поле и магнитном поле соответственно. Согласно «принципу суперпозиции электрических полей» [3], исходное электрическое поле можно рассматривать как суперпозицию двух взаимно независимых электрических полей в вышеупомянутом течении в любое время.Одно из двух электрических полей — это электрическое поле с локализованной электрической энергией, которая была преобразована в магнитную энергию. Другой — электрическое поле с локализованной электрической энергией, которая не была преобразована в магнитную энергию. Очевидно, первое электрическое поле создало магнитное поле, но магнитное поле исчезло. Последнее электрическое поле все еще существует, но оно не генерировало никакого магнитного поля. Поскольку два электрических поля независимы друг от друга, магнитное поле, создаваемое первым электрическим полем, не зависит от электрического поля второго.Другими словами, магнитное поле и электрическое поле взаимно независимы в том случае, когда магнитное поле создается изменяющимся электрическим полем. Первое электрическое поле также является связью между магнитным полем и устройством, генерирующим изменяющееся электрическое поле, и показано как устройство, генерирующее изменяющееся электрическое поле → электрическое поле → магнитное поле. С исчезновением прежнего электрического поля магнитное поле, создаваемое изменяющимся электрическим полем, не только не зависит от электрического поля, но также и от устройства, одновременно генерирующего изменяющееся электрическое поле.Изменяющееся электрическое поле и устройство, генерирующее изменяющееся электрическое поле, являются только начальным условием для создания магнитного поля. Магнитное поле, создаваемое изменяющимся электрическим полем, является полем излучения и не имеет отношения к системе отсчета.

Связь между магнитным полем, создаваемым изменяющимся электрическим полем, и устройством, генерирующим изменяющееся электрическое поле, аналогична соотношению между электромагнитными волнами и антенной. Антенна — это только начальное условие для генерации электромагнитных волн.Когда генерируются электромагнитные волны, они не имеют отношения к антенне. Другими словами, электромагнитные волны отделены от антенны и не зависят от антенны. [4]

Другая проблема заключается в том, что изменяющееся магнитное поле также генерирует электрическое поле, которое известно как проблема преобразования магнитной энергии в электрическую. Точно так же электрическое поле, создаваемое изменяющимся магнитным полем, не зависит от магнитного поля.«Магнитное поле создается изменяющимся электрическим полем, а электрическое поле создается изменяющимся магнитным полем» [5], так неоднократно. Процесс постоянно повторяется. Самый распространенный пример — электромагнитные волны. Поскольку не только магнитное поле, создаваемое изменяющимся во времени электрическим полем, но и электрическое поле, создаваемое изменяющимся во времени магнитным полем, является полем излучения, электромагнитные волны образуются и распространяются непрерывно. На поверхности электрическое поле и магнитное поле в электромагнитных волнах плотно связаны и связаны.Но на самом деле они независимы друг от друга и не имеют отношения друг к другу.

Закон изменяющегося во времени электромагнитного поля следует уравнению Максвелла. «Дифференциальная форма уравнений Максвелла в свободном пространстве задается следующим образом: [6]

»

Из уравнений видно, что величина напряженности магнитного поля определяется величиной скорость изменения электрического поля.Однако, согласно вышесказанному, магнитное поле преобразуется из исчезнувшего электрического поля, поэтому величина напряженности магнитного поля должна определяться изменяющейся величиной электрического поля. Они кажутся противоречивыми. Это связано с тем, что два направления, по которым изменяющееся во времени электрическое поле генерирует магнитное поле, и изменяющееся во времени магнитное поле генерирует электрическое поле, происходят одновременно, а не магнитное поле начинает преобразовываться в электрическое поле после того, как электрическое поле полностью превращается в магнитное поле.Это легче увидеть по электромагнитным волнам.

Наконец, мы обсуждаем различные изменения электрического поля, когда электрически заряженные частицы имеют разные скорости движения или ускорение. Также исследуются связи между изменениями и электромагнитным излучением.

Вначале обсуждается ситуация, когда электрически заряженные частицы имеют разные скорости движения. Как показано на рисунке 1, a — неподвижная частица, несущая положительный заряд, и ее электрическое поле распределено в пространстве

Рисунок 1.Причина отклонения линии электрического поля

вокруг нее. Выбирается и обсуждается произвольная силовая линия электрического поля E. Предполагается, что угол между силовой линией электрического поля E и осью Y равен α. Определенная часть линии электрического поля, называемая E 0 , которая начинается от частицы, случайным образом отсекается от E. Линия электрического поля E 0 раскладывается на две взаимно перпендикулярные составляющие. Один, названный E X , параллелен оси X.Другой, названный E Y , параллелен оси Y. Когда электрически заряженная частица a движется по прямой с постоянной скоростью в направлении оси X, длина E X сокращается, поскольку она параллельна направлению движения, показанному как E X1 . Это явление известно как сокращение Лоренца. Тем не менее, длина E Y не изменилась, поскольку она перпендикулярна направлению движения. Из рисунка 1 видно, что векторная сумма E X1 и E Y больше не E 0 , а E 1 .Угол между E 1 и осью Y равен β и β. Рис. 1, длина E X сокращена из-за сокращения Лоренца, но его собственная длина не изменилась. Таким образом, «собственный угол» между силовой линией электрического поля и осью Y не изменился, и «внутреннее распределение» электрического поля также не изменилось. Из вышесказанного следует, что изменение электрического поля электрически заряженных частиц, вызванное различными скоростями движения частиц, по сути, является относительным изменением между электрически заряженными частицами и системой отсчета.Следовательно, магнитное поле, создаваемое движущимися электрически заряженными частицами, не создается изменением электрического поля. Электрически заряженные частицы, движущиеся по прямой с постоянной скоростью, не могут генерировать какое-либо электромагнитное излучение.

«Электрическое поле неподвижных электрически заряженных частиц и электрическое поле электрически заряженных частиц, движущихся по прямой с постоянной скоростью, являются радиальными. Силовые линии электрического поля у них также прямые »[7], и их собственные распределения также такие же.Это состояние электрического поля частиц называется нормальным состоянием. Когда электрически заряженные частицы имеют ускорение, электрические поля частиц перестают быть радиальными, и в электрическом поле появляется горизонтальная составляющая, перпендикулярная радиальному направлению. Горизонтальная составляющая не имеет отношения к скорости движения частиц и определяется их ускорениями. Следовательно, внутреннее распределение электрического поля изменяется. Согласно принципу суперпозиции электрических полей, горизонтальную составляющую и радиальную составляющую можно рассматривать как два взаимно независимых электрических поля.И они известны как горизонтальное электрическое поле и радиальное электрическое поле. Затем они соответственно обсуждаются ниже.

Независимо от того, как изменяется скорость движения электрически заряженных частиц, электрическое поле частиц находится в нормальном состоянии. Это указывает на то, что изменяющееся электрическое поле, вызванное ускорением электрически заряженных частиц, стремится вернуться в нормальное состояние. Другими словами, горизонтальное электрическое поле имеет тенденцию исчезать.Исчезнувшее горизонтальное поле будет генерировать магнитное поле, то есть изменяющееся электрическое поле генерирует магнитное поле, а электрически заряженные частицы генерируют электромагнитное излучение. Когда ускорение электрически заряженных частиц остается неизменным или увеличивается, горизонтальное электрическое поле не уменьшается и не исчезает, а остается неизменным или наоборот увеличивается. В то же время электромагнитное излучение все еще существует. Это кажется несовместимым с мнением о том, что магнитное поле генерируется, а электрическое поле исчезает.Причина в том, что внешняя сила (поскольку электрически заряженные частицы имеют ускорение) и электромагнитное излучение действуют одновременно. Внешняя сила поддерживает непрерывное увеличение горизонтального электрического поля и одновременное непрерывное изгибание силовых линий электрического поля. Электромагнитное излучение заставляет горизонтальное электрическое поле постоянно уменьшаться, а силовые линии электрического поля постоянно становятся прямыми. Когда действие внешней силы равно или превышает эффект электромагнитного излучения, увеличенное горизонтальное электрическое поле равно или превышает уменьшенное горизонтальное электрическое поле.В это время возникает явление, когда электромагнитное излучение генерируется непрерывно, а горизонтальное электрическое поле остается неизменным или увеличивается.

Отклонение радиального электрического поля вызвано изменением скорости движения частиц. Как упоминалось выше, это не имеет отношения к генерации магнитного поля излучения, то есть не имеет отношения к электромагнитному излучению.

У нас есть два вывода, которые анализируют различное происхождение магнитных полей:

1) Магнитное поле, которое может создаваться движением электрически заряженных частиц, является собственным полем частиц, и оно не может быть независимым от электрически заряженные частицы.

2) Магнитное поле может быть создано изменением электрического поля — это поле излучения, и оно существует независимо.

3. Принцип работы

Магнитное поле, создаваемое изменяющимся электрическим полем, является своего рода полем излучения и существует независимо. Когда движущиеся электрически заряженные частицы подвергаются действию силы Лоренца в магнитном поле, устройство, генерирующее изменяющееся электрическое поле, не подвергается воздействию какой-либо силы реакции.Третий закон Ньютона не применим между электрически заряженными частицами и устройством, генерирующим изменяющееся электрическое поле.

Носитель движущихся электрически заряженных частиц и устройство, генерирующее изменяющееся электрическое поле, соединены вместе, образуя систему. Относительное положение между ними заставляет движущиеся электрически заряженные частицы находиться в магнитном поле, создаваемом изменяющимся электрическим полем, и направление движения электрически заряженных частиц непараллельно направлению магнитного поля.Магнитное поле, создаваемое изменяющимся электрическим полем, не зависит от устройства, генерирующего изменяющееся электрическое поле, поэтому оно не зависит от вышеупомянутой системы. Для вышеупомянутой системы сила Лоренца, действующая на движущиеся электрически заряженные частицы в магнитном поле, создаваемом изменяющимся электрическим полем, объясняется внешней силой системы. Когда носитель электрически заряженных частиц движется под действием силы Лоренца, устройство, генерирующее изменяющееся электрическое поле, приводится в действие и перемещается вместе с носителем.Таким образом, система достигает тяги. Вышеупомянутое является конструктивной идеей новой двигательной установки нового поколения. В новой силовой установке используется сила Лоренца, поэтому она называется пропеллером силы Лоренца, что в дальнейшем сокращенно LFP.

Очевидно, что проводник может быть выбран в качестве носителя движущихся электрически заряженных частиц. Но какие устройства можно использовать для генерации радиационного магнитного поля?

Наиболее распространенным излучением магнитного поля является магнитное поле в электромагнитных волнах.То есть антенна — это наиболее распространенное устройство, способное генерировать радиационное магнитное поле. Но есть две основные проблемы, если в качестве устройства, генерирующего магнитное поле излучения, выбрать антенну. Во-первых, трудно улучшить интенсивность магнитной индукции, которая имеет решающее значение для улучшения движущей силы. Во-вторых, это приведет к загрязнению окружающей среды электромагнитным излучением. Поэтому мы должны найти новый способ решения этих проблем. Катушка (соленоид) выбрана в качестве устройства для создания изменяющегося электрического поля.

Когда мы говорим о катушке, то есть индуктивности, мы обычно считаем, что «энергия индуктивности хранится в магнитном поле, создаваемом током». [8] Как энергия сохраняется в индуктивности? Для упрощения обсуждения мы предполагаем, что катушка идеальна, то есть у нее нет внутреннего сопротивления.

Как мы все знаем, «когда через катушку протекает переменный во времени ток, в катушке создается магнитное поле, а в обмотке катушки создается индуцированное электрическое поле» [9].Как правило, индуцированное электрическое поле также изменяется во времени. В установившемся состоянии индуцированное электрическое поле не может генерировать ток, потому что оно возмущено внешним электрическим полем. Изменяющееся индуцированное электрическое поле будет генерировать магнитное поле. Как мы можем это знать? Известно, что индуктивное реактивное сопротивление катушки увеличивается, а ток уменьшается, если другие условия не изменяются и увеличивается только частота изменяющегося во времени тока. Предполагается предельный случай, когда частота приближается к бесконечности.В этом случае индуктивность нарушается, ток через катушку не протекает, а индуцированное электрическое поле достигает максимума. Отсутствие тока означает, что нет ввода или вывода энергии. В это время энергия, запасенная в индуктивности, должна иметь определенное значение. Но индуцированное электрическое поле меняется во времени. Куда уходит энергия при уменьшении индуцированного электрического поля? Откуда энергия при увеличении индуцированного электрического поля? Ответ заключается в том, что изменяющееся во времени индуцированное электрическое поле создает изменяющееся во времени магнитное поле.Энергия преобразуется в прямом и обратном направлении между электрическим полем и магнитным полем, а общая энергия электромагнитного поля остается неизменной.

Обычно, когда через катушку протекает переменный во времени ток, в катушке генерируются два магнитных поля. Одним из них является магнитное поле, создаваемое током, то есть магнитное поле, создаваемое движущимися электрически заряженными частицами. Другой — это магнитное поле, создаваемое индуцированным электрическим полем, то есть магнитное поле, создаваемое изменяющимся электрическим полем.Два магнитных поля накладываются друг на друга.

Следовательно, из вышеизложенного можно сделать вывод, что энергия, запасенная в индуктивности, должна включать три части: магнитное поле, создаваемое током, индуцированное электрическое поле и магнитное поле, создаваемое индуцированным электрическим полем. Первая часть энергии будет течь в индуктивность и выходить из нее вместе с током. Когда он достигает устойчивого состояния, две другие части энергии всегда хранятся в катушке.

Если частота тока равна нулю, то есть ток является постоянным, индуцированное электрическое поле равно нулю, и в катушке существует только магнитное поле, создаваемое током. С увеличением частоты тока ток постепенно уменьшается, и магнитное поле, создаваемое током, также постепенно уменьшается. В то же время индуцированное электрическое поле постепенно увеличивается, а магнитное поле, создаваемое индуцированным электрическим полем, также постепенно увеличивается.Когда частота тока приближается к бесконечности, ток исчезает, и магнитное поле, создаваемое током, также исчезает. В то же время индуцированное электрическое поле достигает максимума, а магнитное поле, создаваемое током, также достигает максимума. Магнитное поле, создаваемое индуцированным электрическим полем, является магнитным полем, создаваемым изменяющимся электрическим полем, и представляет собой своего рода поле излучения. Это причина того, что чем выше частота тока, тем мощнее излучение.Количество и величина радиационных магнитных полей — не единственный фактор, формирующий электромагнитные волны. Генерация электромагнитных волн также определяется характеристиками антенны.

Как мы все знаем, антенна — это не только передающая антенна, но и принимающая антенна. Другими словами, он может не только передавать электромагнитные волны, но и одновременно принимать электромагнитные волны. Фактически, антенна показывает характеристики передачи и приема одновременно, когда она передает электромагнитные волны.Когда он генерирует радиационное магнитное поле, антенна принимает их обратно более или менее одновременно. Полученная часть формирует электромагнитную индукцию, а непринятая часть образует электромагнитные волны. [10]

Строго говоря, магнитное поле, создаваемое индуцированным электрическим полем, не следует рассматривать как энергию, запасенную в катушке, потому что это своего рода поле излучения и не зависит от катушки. Магнитное поле создается катушкой и, в свою очередь, принимается катушкой.С этой точки зрения катушку можно рассматривать как антенну. Явление, когда катушка получает собственное радиационное магнитное поле, называется самоиндукцией катушки. Более того, прием не обязательно 100%, например, взаимное наведение в катушке или излучение электромагнитных волн.

Как показано на рисунке 2, проводник I 0 проходит через катушку L 0 , и они скрепляются вместе и образуют систему. а — основной вид, а б — левый вид.Когда через проводник I 0

и катушку L 0 соответственно протекают изменяющиеся во времени токи, движущиеся электрически заряженные частицы в проводнике I 0 находятся в магнитном поле, создаваемом катушкой L 0 и их направления не параллельны. На проводник I 0 будут действовать две силы Лоренца. Одна из них — действующая сила, действующая на

Рисунок 2.Принцип действия Lorentz Force Propeller

, несущий ренту проводник, подвергается действию магнитного поля, создаваемого током, а другой — действующей силой, которой он подвергается в магнитном поле, создаваемом индуцированным электрическим полем. Для вышеупомянутой системы первая действующая сила является внутренней силой системы. Его сила реакции — это сила Лоренца, которой обмотка катушки действует в магнитном поле, создаваемом проводником с током.Поскольку проводник I 0 и катушка L 0 закреплены вместе, пара действующей силы и силы реакции не может совершать какое-либо относительное движение между проводником I 0 и катушкой L 0 . Таким образом, взаимное расположение между ними также не изменилось. Последняя действующая сила является внешней силой системы и не имеет силы реакции. Когда токопроводящий проводник I 0 перемещается под действием силы, катушка L 0 приводится в движение и перемещается вместе с проводником.Таким образом, система достигает тяги.

Поскольку направление магнитного поля, создаваемого индуцированным электрическим полем, изменяется во времени, ток в проводнике I 0 также должен изменяться во времени, чтобы обеспечить движение. Их частоты должны быть одинаковыми, а разность фаз между ними составляет 0 или 1/2 цикла. Направление движущей силы, когда разность фаз равна нулю, противоположно направлению движущей силы, когда разность фаз составляет 1/2 цикла.Кроме того, в катушке L 0 отсутствует магнитопровод (железный сердечник). Поскольку магнитное поле создается движущимися электрически заряженными частицами, оно не способствует движению.

Как и электродвигатель, LFP также использует силу Лоренца. Но между ними есть два принципиальных различия.

1) Электродвигатель использует магнитное поле, создаваемое электрически заряженными частицами, тогда как LFP использует магнитное поле, создаваемое изменяющимся электрическим полем.

2) В электродвигателе токопроводящий проводник и устройство, генерирующее магнитное поле, могут перемещаться относительно друг друга, и они называются статором и ротором. В LFP проводник с током и устройство, генерирующее магнитное поле, фиксированы, и между ними нет относительного движения.

Именно из-за вышеперечисленных различий LFP и электродвигатель выполняют совершенно разные функции. Электродвигатель не может обеспечить тягу сам по себе, поэтому необходимо использовать движительное устройство.Например, колеса тележки используются для обеспечения движения за счет трения между колесами тележки и землей. Так что винтом его не назовешь. LFP может двигаться самостоятельно и в вакууме.

4. Оптимизация конструкции

В LFP, показанном на Рисунке 2, оба конца катушки L 0 открыты, и внешняя часть катушки может генерировать магнитное поле. Одна часть проводника I 0 находится в катушке, а другая часть — вне катушки.Направления двух магнитных полей, в которых расположены две части, противоположны. Другими словами, направления действующих сил Лоренца также противоположны. Это вредно для тяги. Кроме того, одновременно могут возникнуть некоторые другие проблемы, такие как радиационное загрязнение и электромагнитная индукция. Чтобы преодолеть эти недостатки, LFP, показанный на рисунке 2, оптимизирован и показан на рисунке 3. На рисунке 3 L 1 представляет собой сквозную кольцевую катушку. I 1 ~ I 6 — это шесть проводников, проходящих через катушку L l .Они разделены на два слоя. I 1 , I 2 и I 3 расположены на верхнем уровне, а I 4 , I 5 и I 6 расположены на нижнем уровне. Две части фиксируются катушкой L 1 соответственно. F — направление движущей силы.

L 1 — замкнутая катушка, и магнитное поле снаружи катушки устранено. Так что проблема, возникающая в результате этого, исчезает. Следует пояснить, что, поскольку направление магнитного поля, в котором расположены проводники I 1 , I 2 , I 3 , противоположно направлению магнитного поля, проводники I 4 , I 5 , I 6 , разница фаз составляет 1/2 цикла между током в проводниках I 1 , I 2 , I 3 и током в проводниках I 4 , I 5 , I 6 .Рисунок 3 — схематический рисунок. На практике форму и количество витков катушки, количество и положение проводников можно регулировать и определять в соответствии с различными требованиями.

На практике очень важно изготавливать гребные винты с большой движущей силой. Для получения более мощной движущей силы наиболее интуитивно понятным методом является увеличение амплитуды и частоты изменяющегося во времени тока. Однако это ограничено многими факторами, такими как материалы и методы производства.Таким образом, эффект ограничен. Мы разрабатываем новый новый метод получения большой движущей силы, который описывается следующим образом.

L 2 — спиральная замкнутая спираль, показанная на рисунке 4а. Также можно считать, что один конец восьми L 1 отрезается, а затем они соединяются встык. Для простоты на рисунке 4а показаны два проводника: I 7 и I 8 . Они проходят через верхний и нижний слой катушки соответственно.Направление движущей силы перпендикулярно бумаге.

Пропульсивное устройство, показанное на рисунке 4а, может быть закреплено на круглой подставке. Таким образом, получается движитель, внешне напоминающий оптический диск. Затем многие из этих движителей собираются органически, например, штабелируются, как показано на рисунке 4b, для получения более мощной движущей силы. На рисунке 4 (b) F — направление движущей силы.

Рисунок 3.Трехмерный схематический чертеж оптимизации конструкции пропеллера Lorentz Force

Рисунок 4. Схематический чертеж пропеллера Lorentz Force с большой движущей силой

5. Основные характеристики

Интегрированная силовая установка Lorentz состоит из трех основных частей: система энергоснабжения, система управления и LFP. Функция системы энергоснабжения — обеспечивать электроэнергией всю систему.Это могут быть батареи, двигатели внутреннего сгорания, ядерные реакторы и так далее. Основная функция системы управления — контролировать величину и направление движущей силы путем управления током, вводимым в LFP. Функция LFP — преобразовывать электрическую энергию в движущую силу. Система энергоснабжения и система управления должны определяться в соответствии с различными конкретными ситуациями и требованиями. При разном выборе две системы могут быть совершенно разными.Поэтому в статье обсуждаются только характеристики LFP, а интегрированная силовая установка с силой Лоренца не рассматривается. Более того, поскольку LFP представляет собой новый дизайн, исследования материалов, технологий производства и т. Д., Относящиеся к LFP, остаются пустыми. И это важные факторы, определяющие производительность LFP. Таким образом, проводится только качественный анализ LFP, а не количественный анализ.

Подобно ракетному двигателю, LFP может создавать движущую силу без какой-либо внешней среды.Итак, основные характеристики LFP описываются сравнением с ракетным двигателем.

1) LFP может создавать движущую силу только за счет электроэнергии, и пропеллент не требуется.

2) Удельный импульс LFP большой. Если используется солнечная энергия или ядерная энергия, удельный импульс может быть астрономическим. (Удельный импульс является важным показателем для описания характеристик ракетного двигателя с учетом топлива. LFP не использует топливо.Для сравнения здесь предположение о топливе заменено предположением о топливе. В механическом ракетном двигателе топливо имеет то же значение, что и пропеллент.)

3) Движущая сила жидкостного ракетного двигателя может быть отрегулирована в определенном диапазоне путем регулировки дроссельной заслонки и других механических компонентов. Соотношение движущей силы может достигать 10: 1.

LFP может регулировать движущую силу напрямую, контролируя ток, и никаких механических компонентов не требуется.Точность настройки и скорость реакции намного выше, чем у ракетного двигателя. Диапазон регулировки составляет от 0 до максимальной движущей силы. Отношение движущей силы приближается к бесконечности, и направление движущей силы может быть изменено на обратное 180 0 .

4) При работе ракетного двигателя наблюдается сильная механическая вибрация. Хотя движущая сила LFP изменяется во времени, механической вибрации нет, потому что частота высока.

5) Когда LFP работает, не издается ни звука, ни выхлопных газов.Так что это полезно для защиты окружающей среды.

6) По сравнению с ракетным двигателем, основным недостатком LFP является то, что отношение движущей силы к массе невелико.

6. Пункты формулы

LFP подана заявка на патент. Поэтому, пожалуйста, не используйте без разрешения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Б. С. Гуру и Х. Р. Хизироглу, «Основы теории электромагнитного поля», (второе издание) (китайская версия), опубликовано издательством Кембриджского университета в 2005 г., стр. 5, стр. 7.Распространены методы генерации магнитного поля.
  2. Ф. Т. Улаби, «Основы прикладной электромагнетизма», (четвертое издание) (китайская версия), 2004 Media Edition, 013185089X, ULABY, опубликовано Pearson Education, Inc., P8.
  3. Ф. Т. Улаби, «Основы прикладной электромагнетизма» (четвертое издание) (китайская версия), 2004 Media Edition, 013185089X, ULABY, опубликовано Pearson Education, Inc., P6.
  4. Н.Н. Рао, «Элементы инженерного электромагнетизма» (шестое издание) (китайская версия), опубликовано Pearson Education, Inc., P427, P449, P450. Расширилась связь между электромагнитными волнами и антенной.
  5. BS Guru и HR Hiziroglu, «Основы теории электромагнитного поля» (второе издание) (китайская версия), опубликовано Cambridge University Press в 2005, P185, 2005.
  6. JA Edminister, «Очерки теории Шаума и проблемы электромагнетизма. Второе издание (китайская версия), P148, 2002.
  7. Б. С. Гуру и Х. Р. Хизироглу, «Основы теории электромагнитного поля» (второе издание) (китайская версия), опубликовано издательством Cambridge University Press в 2005 г., стр. 57.
  8. TL Floyd, «Принципы электрических цепей: обычный ток, седьмое издание» (китайская версия), опубликовано Pearson Education, Inc., P430
  9. TL Floyd, «Принципы электрических цепей: версия обычного тока» (седьмое Edition) (китайская версия), изданная Pearson Education, Inc., P429, P431
  10. Б. С. Гуру и Х. Р. Хизироглу, «Основы теории электромагнитного поля» (второе издание) (китайская версия), опубликовано издательством Cambridge University Press в 2005 г., P366, P386, P387. Распространено мнение, что антенна излучает электромагнитные волны.

Класс силы Лоренца-12 | Определение, формула, значение и приложения


Введение

В этой статье мы поговорим о силе, действующей на заряженную частицу, когда она движется в одновременном электрическом и магнитном поле.Электромагнитная сила, испытываемая движущимися заряженными частицами из-за одновременного присутствия электрического и магнитного полей, была окончательно выведена голландским физиком Хендриком Антуном Лоренцем в 1895 году.

Полученная формула считается современной формой формулы для электромагнитная сила, которая включает в себя общую силу как электрического, так и магнитного полей.

Определение силы Лоренца

Особенно в электромагнетизме сила Лоренца (или электромагнитная сила) представляет собой комбинацию электрической и магнитной сил на точечный заряд из-за наличия электромагнитных полей.

Если частица с положительным зарядом q движется со скоростью v в электрическом поле E и магнитном поле B, то на нее действует сила, определяемая по формуле-

Эта формула называется силой Лоренца. Согласно этой формуле сила Лоренца, действующая на заряженную частицу q, представляет собой комбинацию электрической силы и магнитной силы.

Электрическая сила будет иметь то же направление, что и электрическое поле E, и она задается как произведение электрического заряда q и величины электрического поля (E), а магнитная сила находится под прямым углом к ​​магнитному полю. поле (B) и скорость (v) заряженной частицы, и она дается как произведение электрического заряда q на перекрестное произведение поля B и скорости v.См. Выражение выше.

Сила Лоренца как определение электрического и магнитного поля

Закон силы Лоренца можно использовать как определение электрического и магнитного полей E и B. В частности, силу Лоренца можно понять из следующего эмпирического утверждения:

Электромагнитная сила F на испытательном заряде в данный момент и время является конкретной функцией заряда q и его скорости v, которая может быть точно параметризована двумя векторами E и B как функцией, как показано ниже:

Это выражение справедливо даже для частиц, скорость которых приближается к скорости света.Итак, два векторных поля E и B определены во всем пространстве и времени, и они называются «электрическое поле» и «магнитное поле».

Поля определяются в пространстве и времени в зависимости от силы, которую получит испытательный заряд, независимо от наличия заряда, чтобы испытать силу.

В качестве определения электрического и магнитного поля сила Лоренца является только принципиальным определением, потому что реальная частица (в отличие от гипотетического «пробного заряда» бесконечно малой массы и заряда) будет генерировать свои собственные конечные электрические и магнитные поля. , который изменит электромагнитную силу, которую он испытывает.

Если заряженная частица идет с ускорением, тогда частица вынуждена двигаться по искривленной траектории, и она начинает испускать электромагнитное излучение, которое приводит к потере кинетической энергии. Смотрите, тормозное излучение и синхротронный свет. Эти эффекты возникают непосредственно через прямое воздействие (сила реакции излучения) и косвенно (путем воздействия на движение соседних зарядов и токов).

Формула силы Лоренца

Формула силы Лоренца в единицах заряженной частицы
Рис.1, сила Лоренца F, действующая на заряженную частицу q во время движения (имеющую мгновенную скорость v). Электрическое поле E и магнитное поле B меняются в пространстве и времени. Источник: Wikipedia.org

Пусть заряженная частица q движется в одновременном присутствии электрического и магнитного полей с мгновенной скоростью v, тогда сила Лоренца F, испытываемая заряженной частицей q из-за внешнего электрического поля E и магнитного поля B, дается следующим образом:

В приведенной выше формуле × — векторное векторное произведение, а все величины, выделенные жирным шрифтом, являются векторами.С точки зрения декартовых компонентов сила Лоренца может быть задана как:

В общем, электрическое и магнитное поля всегда являются функцией положения и времени, поскольку их значение может быть различным для разных положений и времени. Таким образом, явно сила Лоренца может быть задана как:

Где

  • r — вектор положения заряженной частицы
  • t — время
  • , а точка над буквой означает производную w.время r.t.

Когда положительно заряженная частица движется в электрическом поле, она ускоряется в том же направлении, что и электрическое поле, но когда она движется в области магнитного поля, она становится перпендикулярной как вектору мгновенной скорости v, так и магнитному полю. поле B согласно правилу правой руки.

Правило для правой руки:

Вытяните большой, указательный и средний пальцы правой руки так, чтобы они были перпендикулярны друг другу, см. Рисунок ниже:

Рис.2, иллюстрация направления тока / скорости, магнитного поля B и магнитной силы F

Теперь выровняйте вытянутые пальцы так, чтобы средний палец указывал направление скорости частицы v, указательный палец указывал направление магнитного поля B, затем ваш вытянутый большой палец автоматически укажет направление магнитной силы F.

Термин qE называется электрической силой, а термин q (v × B) называется магнитной силой. В некоторых текстах «сила Лоренца» конкретно рассматривается как эмпирическая формула для магнитной силы (включая электрическую силу).

Магнитная составляющая силы Лоренца может изменяться сама по себе, давая силу, которая действует на провод с током в магнитном поле. В этом контексте эту силу Лоренца также называют силой Лапласа.

где — сила, действующая на токоведущий провод в магнитном поле.

Итак, сила Лоренца — это сила, действующая электромагнитным полем (наличием электрического и магнитного полей) на заряженную частицу, с точки зрения количества движения она определяется как скорость, с которой передается линейный импульс от электромагнитного поля. поле к частице.Или с точки зрения мощности, это определяется как скорость, с которой энергия передается от электромагнитного поля к частице. Эта мощность задается как:

Внимание: магнитное поле не влияет на мощность, потому что магнитная сила всегда перпендикулярна скорости заряженной частицы и, следовательно, результирующая работа всегда равна нулю.

Формула силы Лоренца в терминах непрерывного распределения заряда
Рис. 3, Сила Лоренца при непрерывном распределении заряда, источник: Википедия.org

Для движущегося тела с непрерывным распределением заряда формула силы Лоренца может быть записана как:

, где сила, действующая на небольшой участок распределения заряда с зарядом. Если обе части этой формулы разделить на объем этого небольшого фрагмента распределения заряда, то получится —

где — плотность силы (сила на единицу объема) и — плотность заряда (заряд на единицу объема). . Теперь плотность тока соответствующего континуума подвижного заряда равна —

Подставляем эту формулу плотности тока в формулу плотности силы выше, тогда мы получаем-

Итак, полная сила Лоренца действовала на тело непрерывного заряда. распределение — это объемный интеграл по распределению заряда, и он задается как:

Значение силы Лоренца

Современные уравнения Максвелла могут описывать, как движущиеся носители заряда и тока или носители заряда создают электрические и магнитные поля.Закон силы Лоренца завершает эту картину, описывая силу, действующую на точечный заряд, перемещающий q в присутствии электромагнитного поля.

Закон силы Лоренца описывает влияние электрического поля E и магнитного поля B на точечные заряды, но такие электромагнитные силы не являются полной картиной.

Заряженные частицы могут взаимодействовать с другими силами, особенно с гравитацией и ядерной силой. Следовательно, уравнения Максвелла неотделимы от других законов физики и сочетаются с ними через плотности заряда и тока.

Отклик точечного заряда на закон Лоренца — это один аспект, а создание электрических и магнитных полей зарядами и током — другое дело. В реальных материалах силы Лоренца недостаточно для описания коллективного поведения носителей заряда как в принципе, так и с вычислительной точки зрения.

Заряженные частицы в физической среде реагируют на поля E и B и создают эти поля. Чтобы определить временную и пространственную реакцию зарядов, необходимо решить сложные уравнения переноса, например, уравнение Больцмана, уравнение Фоккера-Планка или уравнение Навье-Стокса.

Подробнее см. Магнитогидродинамика, электрогидродинамика, сверхпроводимость, звездная эволюция. Некоторые физические устройства, такие как реакция Кубо зеленого и функция зеленого (теория многих тел), были разработаны для работы с этим типом материи.

Применение силы Лоренца

Концепция силы Лоренца используется во многих устройствах повседневного использования. Некоторые приложения силы Лоренца перечислены ниже:

О проявлении силы Лоренца как силы Лапласа на проводе с током.Эта сила используется во многих устройствах, таких как:

Посмотрите это видео для большего визуального понимания.

Итак, это все о силе Лоренца, следите за обновлениями в «Законах природы», чтобы получить более полезный и интересный контент.


Логический класс | Дом

Источники и поля

Источники и поля

Прежде чем мы введем понятие магнитного поля B, мы резюмируем то, что мы узнали в главе 1 об электрическом поле E.Мы видели, что взаимодействие двух зарядов можно рассматривать в два этапа. Заряд Q, источник поля, создает электрическое поле E, где

\ (% MathType! MTEF! 2! 1! + — % feaagKart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn % hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr % 4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq-Jc9 % vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0-yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr-x % fr-xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGcbaGaamyraiabg2 % da9iaadgfacaGGVaWaaeWaaeaacaaI0aGaeqiWdaNaeqyTdu2aaSba % aSqaaiaaicdaaeqaaaGccaGLOaGaayzkaaGaamOCamaaCaaaleqaba % GaaGOmaaaaaaa! 41CA! E = Q / \ left ({4 \ pi {\ varepsilon _0}} \ right) {r ^ 2} \) (4. 2} \) (4.2)

Как указано в главе 1, поле E — это не просто артефакт, но играет физическую роль. Он может передавать энергию и импульс и не устанавливается мгновенно, но для распространения требуется конечное время. Концепция поля была особенно подчеркнута Фарадеем и была включена Максвеллом в его объединение электричества и магнетизма. Помимо зависимости от каждой точки в пространстве, она также может изменяться со временем, то есть быть функцией времени. В наших обсуждениях в этой главе мы будем предполагать, что поля не меняются со временем.

Поле в определенной точке может быть связано с одним или несколькими зарядами. Если зарядов больше, поля складываются векторно. В главе 1 вы уже узнали, что это называется принципом суперпозиции. Как только поле известно, сила на испытательном заряде определяется формулой. (4.2). Так же, как статические заряды создают электрическое поле, токи или движущиеся заряды создают (вдобавок) магнитное поле, обозначаемое B (r), снова векторное поле. Он имеет несколько основных свойств, идентичных электрическому полю.Он определяется в каждой точке пространства (и, кроме того, может зависеть от времени). Экспериментально установлено соблюдение принципа суперпозиции: магнитное поле нескольких источников является векторной суммой магнитного поля каждого отдельного источника.

Хендрик Антон Лоренц (1853 — 1928)

Голландский физик-теоретик, профессор Лейденского университета.Он исследовал взаимосвязь между электричеством, магнетизмом и механикой. Чтобы объяснить наблюдаемое влияние магнитных полей на излучатели света (эффект Зеемана), он постулировал существование электрических зарядов в атоме, за что в 1902 году был удостоен Нобелевской премии. Он вывел систему уравнений преобразования (известную как после него, как уравнения преобразования Лоренца) некоторыми запутанными математическими аргументами, но он не знал, что эти уравнения опираются на новую концепцию пространства и времени.

Магнитное поле, сила Лоренца

Магнитное поле, сила Лоренца

Предположим, что существует точечный заряд q (движущийся со скоростью v и, расположенный в точке r в данный момент времени t ) в присутствии как электрического поля E (r), так и магнитного поля B (r ). Сила, действующая на электрический заряд q , создаваемая ими обоими, может быть записана как

Р = кв [Е (г) + V × В (г)] \ (% MathType СПР 2 1 + -!!!!% FeaagKart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn% hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr% 4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq-Jc9% vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0-yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr-х% FR-xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGcbaGaeyyyIOlaaa ! 37BF! \ Эквив \) F электрический + F магнитный (4.3)

Эта сила была впервые дана Х.А. Лоренца на основе обширных экспериментов Ампера и других. Она называется силой Лоренца . Вы уже подробно изучили силу электрического поля. Если мы посмотрим на взаимодействие с магнитным полем, мы обнаружим следующие особенности.

(1) Это зависит от q, \ (v \) и B (заряд частицы, скорость и магнитное поле). Сила на отрицательный заряд противоположна силе на положительный заряд.

(2) Магнитная сила q [v × B] включает векторное произведение скорости и магнитного поля. Векторное произведение приводит к тому, что сила, обусловленная магнитным полем, обращается в нуль (становится равной нулю), если скорость и магнитное поле параллельны или антипараллельны. Сила действует в (боковом) направлении, перпендикулярном как скорости, так и магнитному полю. Его направление задается винтовой линейкой или правилом правой руки для векторного (или перекрестного) произведения, как показано на рис. 4.2.

РИСУНОК 4.2 Направление магнитной силы, действующей на заряженную частицу. (a) Сила, действующая на положительно заряженную частицу со скоростью v и составляющую угол \ (\ theta \) с магнитным полем B, определяется правилом правой руки. (b) Движущаяся заряженная частица q отклоняется в направлении, противоположном — q в присутствии магнитного поля.

(3) Магнитная сила равна нулю, если заряд не движется (тогда | v | = 0). Только движущийся заряд чувствует магнитную силу.

Выражение для магнитной силы помогает нам определить единицу магнитного поля, если взять q , F и v, все равны единице в силе

уравнение F = q [v × B] = q \ (v \) B sin \ (\ theta \) \ (\ hat n \), где \ (\ theta \) — угол между v и B [см. рис. 4.2 (a)]. Величина магнитного поля B равна 1 единице СИ, когда сила, действующая на единичный заряд (1 Кл), движущийся перпендикулярно B со скоростью 1 м / с, составляет один ньютон.

Размерно, мы имеем [ B ] = [ F / q \ (v \) ], а единицей измерения B является Ньютон-секунда / (кулоновский метр). Этот агрегат получил название Tesla (T) в честь Николы Теслы (1856-1943). Тесла — довольно крупная единица. Также часто используется меньшая единица измерения (кроме СИ), называемая гаусс (= 10 –4 тесла). Магнитное поле Земли составляет около 3,6 × 10 –5 Тл. В таблице 4.1 перечислены магнитные поля во Вселенной в широком диапазоне.

Магнитная сила на проводнике с током

Сила магнитного поля на проводнике с током

Мы можем распространить анализ силы, создаваемой магнитным полем на одиночный движущийся заряд, на прямой стержень, по которому проходит ток. Рассмотрим стержень с равномерным поперечным сечением A, и длиной l .Мы предположим один вид мобильных носителей, как в проводнике (здесь электроны). Пусть плотность этих мобильных носителей заряда в нем равна n . Тогда общее количество мобильных носителей заряда в нем составит nlA . Для постоянного тока I в этом проводящем стержне мы можем предположить, что каждый подвижный носитель имеет среднюю скорость дрейфа v d (см. Главу 3). При наличии внешнего магнитного поля B сила, действующая на эти носители, составляет:

\ (% MathType СПР 2 1 + -!!!!!% FeaagKart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn% hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr% 4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq-Jc9% vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0-yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr-х% FR-xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGcbaGaamOraiabg2% da9maabmaabaGaamOBaiaadYgacaWGbbaacaGLOaGaayzkaaGaamyC% aiaadAhadaWgaaWcbaGaamizaaqabaGccqGHxdaTcaWGcbaaaa 41E8 F = \ влево ({NLA} \ справа) q {v_d} \ times B \)

, где q — величина заряда на носителе.Теперь nq vd — это плотность тока j и | ( nq vd) | A — текущий I (см. Главу 3 для обсуждения тока и плотности тока). Таким образом,

!

\ (% MathType СПР 2 1 + -!% FeaagKart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn% hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr% 4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq-Jc9% vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0-yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr-х% фр-xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGceaqabeaacaWGgb% Gaeyypa0ZaamWaaeaadaqadaqaaiaad6gacaWGXbGaamODamaaBaaa% leaacaWGKbaabeaaaOGaayjkaiaawMcaaiaadYgacaWGbbaacaGLBb% GaayzxaaGaey41aqRaamOqaiabg2da9maadmaabaGaamOAaiaadgea% caWGSbaacaGLBbGaayzxaaGaey41aqRaamOqaaqaaiabg2da9iaadM% eacaWGSbGaey41aqRaamOqaiaaykW7caaMc8UaaGPaVlaaykW7caaM% c8UaaGPaVlaaykW7caaMc8UaaGPaVlaaykW7caaMc8UaaGPaVlaayk% W7caaMc8UaaGPaVlaaykW7caaMc8UaaGPaVlaaykW7caaMc8UaaGPa% VlaaykW7caaMc8UaaGPaVlaaykW7caaMc8UaaGPaVlaaykW7caaMc8% UaaGPaVlaaykW7caaMc8UaaGPaVlaaykW7caaMc8UaaGPaVlaaykW7 % caaMc8UaaGPaVlaaykW7caaMc8UaaGPaVlaaykW7caaMc8UaaGPaVl% aaykW7caaMc8UaaGPaVlaaykW7caaMc8UaaGPaVlaaykW7caaaaGaUaqiaGPaVlaaykW7caaaaaGaUaqia % caaaaaaa! AA94! \ begin {array} {l} F = \ left [{\ left ({nq {v_d}} \ right) lA} \ right] \ times B = \ left [{jAl} \ right] \ times B \\ = Или \ раз В \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \ left ({4.4} \ right) \ end {array} \)

, где l — вектор величины l , длины стержня, и с направлением, идентичным текущему I . Обратите внимание, что текущий I не является вектором. На последнем этапе, ведущем к формуле. В уравнении (4.4) мы перенесли знак вектора с j на l . Уравнение (4.4) справедливо для прямого стержня. В этом уравнении B — внешнее магнитное поле.Это не поле, создаваемое токоведущим стержнем. Если проволока имеет произвольную форму, мы можем вычислить на ней силу Лоренца, рассматривая ее как набор линейных полос dl j и суммируя

\ (% MathType СПР 2 1 + -!!!!!% FeaagKart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn% hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr% 4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq-Jc9% vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0-yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr-х% FR-xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGcbaGaamOraiabg2% da9maaqafabaGaamysaiaadsgacaWGSbWaaSbaaSqaaiaadQgaaeqa% aOGaey41aqRaamOqaaWcbaGaamOAaaqab0GaeyyeIuoaaaa 4184 Р = \ сумма \ limits_j {Id {l_j} \ times B} \)

В большинстве случаев это суммирование можно преобразовать в интеграл.

ПРИМЕР 1

Прямой провод массой 200 г и длиной 1,5 м пропускает ток 2 А. Он подвешен в воздухе с помощью однородного горизонтального магнитного поля B (рис. 4.3). Какова величина магнитного поля?

Рис. 4.3.

РЕШЕНИЕ

Из уравнения.(4.4), мы находим, что существует восходящая сила F величиной IlB, . Для пневмоподвески это должно быть уравновешено силой тяжести:

м г = фунт

\ (% MathType СПР 2 1 + -!!!!!% FeaagKart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn% hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr% 4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq-Jc9% vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0-yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr-х% фр-xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGceaqabeaacaWGcb% Gaeyypa0ZaaSaaaeaacaWGTbGaam4zaaqaaiaadMeacaWGSbaaaaqa% aiabg2da9maalaaabaGaaGimaiaac6cacaaIYaGaey41aqRaaGyoai% aac6cacaaI4aaabaGaaGOmaiabgEna0kaaigdacaGGUaGaaGynaaaa% cqGH9aqpcaaIWaGaaiOlaiaaiAdacaaI1aGaamivaaaaaa 4CCC \ начать {массив} { l} B = \ frac {{mg}} {{Il}} \\ = \ frac {{0.2 \ times 9.8}} {{2 \ times 1.5}} = 0,65T \ end {array} \)

Обратите внимание, что было бы достаточно указать m / l , массу на единицу длины провода. Магнитное поле Земли составляет примерно 4 × 10 –5 Тл, и мы его проигнорировали.

ПРИМЕР 2

Если магнитное поле параллельно положительной оси y и заряженная частица движется вдоль положительной оси x (рис.4.4), какова будет сила Лоренца для (а) электрона (отрицательный заряд), (б) протона (положительный заряд).

Рис. 4.4

РЕШЕНИЕ

Скорость v частицы находится вдоль оси x , в то время как B, магнитное поле вдоль оси y , поэтому v × B находится вдоль оси z (винтовая линейка или большой палец правой руки правило).Итак, (а) для электрона это будет по оси — z . (б) для положительного заряда (протона) сила направлена ​​вдоль оси + z .

О РАЗРЕШЕНИИ И ПРОНИЦАЕМОСТИ

В универсальном законе тяготения мы говорим, что любые две точечные массы оказывают друг на друга силу, пропорциональную произведению масс м 1 , м 2 пропорционально квадрату расстояния р между ними.Запишем это как F = Gm 1 m 2 / r 2 , где G — универсальная постоянная гравитации. Точно так же в законе электростатики Кулона мы запишем силу между двумя точечными зарядами q 1 , q 2 , разделенных расстоянием r , как F = kq 1 q 2 / r 2 где k — постоянная пропорциональности.В системе единиц СИ, к берется как 1/4 \ (% MathType СПР 2 1 + -!!!!!% FeaagKart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn% hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr% 4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq-Jc9% vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0-yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr-х% FR-xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGcbaGaeqiWdaNaeq% yTdugaaa 395A \ pi \ varepsilon \) где k — диэлектрическая проницаемость среды. Также в магнетизме мы получаем другую константу, которая в единицах СИ принимается как \ (\ mu \) /4 \ (\ pi \), где \ (\ mu \) — проницаемость среды. .Хотя G , \ (% MathType СПР 2 1 + -!!!!!% FeaagKart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn% hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr% 4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq-Jc9% vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0-yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr-х% пт-xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGcbaGaeqyTdugaaa 379D \ varepsilon \) и \ (\ mu \) возникают как константы пропорциональности, есть разница между гравитационной силой и электромагнитной силой.В то время как гравитационная сила не зависит от промежуточной среды, электромагнитная сила зависит от среды между двумя зарядами или магнитами. Таким образом, в то время как G является универсальной константой, \ (% MathType СПР 2 1 + -!!!!!% FeaagKart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn% hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr% 4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq-Jc9% vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0-yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr-х% пт-xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGcbaGaeqyTdugaaa 379D \ varepsilon \) и \ (\ mu \) зависят от носителя.У них разные значения для разных СМИ. Продукт \ (% MathType СПР 2 1 + -!!!% FeaagKart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn% hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr% 4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq-Jc9% vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0-yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr-х% фр-xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGcbaGaeqyTduMaeq% iVd0gaaa 3953 \ varepsilon \ му \!) оказывается связаны со скоростью об электромагнитного излучения в среде, через \ (% MathType СПР 2 1 + -!!!!% feaagKart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn% hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr% 4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq-Jc9% vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0-yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr-х% FR-xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGcbaGaeqyTduMaeq% iVd0gaaa 3953! \ varepsilon \ mu \) = 1 / \ (v \) 2 .Электрическая диэлектрическая проницаемость \ (% MathType СПР 2 1 + -!!!% FeaagKart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn% hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr% 4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq-Jc9% vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0-yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr-х% пт-xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGcbaGaeqyTdugaaa 379D \ varepsilon \!) физическая величина, которая описывает, как электрическое поле влияет на среду. Он определяется способностью материала поляризоваться в ответ на приложенное поле и тем самым частично нейтрализовать поле внутри материала.Точно так же магнитная проницаемость \ (\ mu \) — это способность вещества приобретать намагниченность в магнитных полях. Это мера того, насколько магнитное поле может проникать в вещество.

Магниты и магнетизм, магнитное поле

эта информация на этой странице все еще находится в черновом варианте

Введение

Древние греки знали, что камень с магнитными свойствами, известный как магнит или магнетит, притягивает железо.Компас, важное устройство для навигации, имеет подвешенный магнит, который выравнивается параллельно магнитному полю, создаваемому Землей, и в результате указывает на компас. Компас был задокументирован еще в 1040 году. Цзин Цзун Яо описывает, как можно намагничивать железо. нагреванием и закалкой в ​​воде. Известно, что викинги использовали магнитный камень для навигации. К концу двенадцатого века европейцы использовали этот простой компас для облегчения навигации. Стальная игла, которую ударили таким магнитом, тоже стала «магнитной».

В 1600 году Уильям Гилберт (также известный как Гилберд) из Колчестера в своей работе De Magnet предложил объяснение работы компаса и того, что Земля сама по себе была гигантским магнитом, а ее магнитные полюса находились на некотором расстоянии от ее географических полюсов ( т.е. около точек, определяющих ось, вокруг которой вращается Земля). Он создал экспериментальную модель Земли, создав сферу магнитного камня.

Свойства магнитов

Уильям Гилберт также экспериментировал со стержневыми магнитами и обнаружил следующие свойства:

У магнита всегда будет два полюса, которые мы условно называем Северным и Южным.Если магнит сломан пополам, это создаст два новых магнита с северным (северным) и южным (южным) полюсами. Если стержневой магнит сломан пополам, в месте разрушения образуются новые северный и южный полюса.

Свойства магнитов

  • Подобные полюса отталкиваются друг от друга. Если полюс N приблизить к полюсу N второго магнита, будет ощущаться сила отталкивания. Точно так же, если полюс S приблизить к полюсу S другого магнита, два магнита будут отталкивать друг друга.
  • В отличие от полюсов притягиваются и будут склеиваться.
  • Магниты притягивают материалы, богатые железом, и одинаковые полюса, и отталкивание между одноименными полюсами можно уменьшить, если поместить между ними полоску железа.

Теория предметной области магнетизма

Как мы можем объяснить эти интригующие свойства? Теория доменов утверждает, что внутри магнита есть небольшие области, в которых магнитное направление всех атомов ориентировано в одинаковых направлениях. Эти регионы известны как домены.

Внутри домена изменение магнитного направления такое же. В следующей области это может быть совсем другое направление. В среднем по множеству доменов в магните нет предпочтительного направления для магнитной силы. Однако, используя внешнее магнитное поле от другого магнита, скажем, направление магнитного направления в каждом домене может быть совмещено с магнитным полем, и итоговое магнитное поле может быть увеличено.

Почему образуются магнитные домены?

Рассмотрим стержневой магнит, который намагничен так, что весь магнит образует единый магнитный домен.Поверхностные заряды появятся на обоих концах кристалла. С поверхностными зарядами связано вторичное магнитное поле, называемое размагничивающим полем, которое уменьшает магнитное поле. Энергия поверхностных зарядов называется магнитостатической энергией.

Образование доменов в магните

Магнитостатическая энергия может быть уменьшена, если кристалл образует второй домен, намагниченный в противоположном направлении. Таким образом уменьшается разделение положительных и отрицательных поверхностных зарядов, уменьшая пространственную протяженность размагничивающего поля.

Естественно, можно спросить, если магнитостатическая энергия уменьшается за счет образования доменов, могут ли они продолжать формироваться бесконечно? На что ответ отрицательный. Причина в том, что энергия требуется для создания и поддержания области перехода от одного домена к другому, доменной стенки. Равновесие будет достигнуто, когда магнитостатическая энергия равна энергии, необходимой для поддержания доменных стенок. Однако домены намного больше, чем отдельные молекулы внутри магнита.

При комнатной температуре всего 4 ферромагнитных элемента. Из них выше показаны железо (Fe), никель (Ni) и кобальт (Co). Четвертый — гадолиний (Gd).

На рисунках ниже показано образование, видимое с помощью магнитных коллоидных суспензий, которые концентрируются вдоль границ домена. Границы доменов можно визуализировать с помощью поляризованного света, а также с помощью дифракции электронов. Наблюдение за движением границ домена под действием приложенных магнитных полей способствовало развитию теоретических подходов.Было продемонстрировано, что образование доменов сводит к минимуму магнитный вклад в свободную энергию.

Если к кристаллу приложить магнитное поле, домены, которые выровнены с магнитным полем, будут расти за счет доменов, которые указывают в других направлениях.

Атомная теория магнетизма

Нам знакома модель атома с ядром, которое содержит протоны и нейтроны, а электрон вращается вокруг ядра. Внутри атома электроны ведут себя как магниты.Электроны, протоны и нейтроны имеют магнитные дипольные моменты, однако магнитный момент электрона является наиболее важным. Фактически, ему удобно присвоить единицу, называемую магнетоном Бора, которая равна магнитному дипольному моменту электрона. (μ B = м /2 e = 9,274 x 10 -24 Дж T -1 )

В дополнение к магнитному дипольному моменту электронов тот факт, что электроны вращаются вокруг ядра, порождает второе магнитное поле, создаваемое движущимся вокруг ядра зарядом.

Магнитное поле

Свойства магнитов

Напряженность магнитного поля обозначается символом H в единицах Tesla

Плотность магнитного потока обозначается символом B и измеряется в единицах (Вт · м -2 )

Для измерения магнитного поля, вызванного током, используется закон Био-Савара.

Магнитное поле — это векторное поле, что означает, что оно имеет величину и направление для каждой точки в пространстве. Сила и направление магнитного поля в любой точке определяется силой, действующей на движущуюся заряженную частицу, например, электрон.Сила, создаваемая магнитным полем, исходит из уравнения Лоренца без электрического поля. путем измерения силы на единичном испытательном заряде. Магнитность и направление определяются уравнением силы Лоренца.

F = q ( v x B )

Поскольку мы имеем дело с перекрестным произведением, направление силы — это направление, перпендикулярное плоскости v и B . и величина силы тогда F = q v ​​B sin θ

, где тета — это угол между B и v

Магнитное поле — это силовые линии, создаваемые магнитом.Поскольку магнитный монополь так и не был обнаружен, говорить о точечном магнитном заряде не имеет смысла. Вместо этого линии магнитного поля образуют замкнутые контуры вдоль линии равной магнитной силы. Сила магнитного поля определяется количеством силовых линий, проходящих через единицу площади. Чем больше силовых линий, тем сильнее магнитное поле. Единица напряженности магнитного поля, известная как Гаусс, определяется как одна линия магнитного поля на квадратный сантиметр. Направление линии поля можно определить с помощью стрелки компаса.Его направление создает касательную линию к магнитному полю в этой точке.

Обычно острие стрелки на линиях магнитного поля указывает на южный магнитный полюс и от северного магнитного полюса. Магнитные полюса всегда встречаются парами, никто никогда не обнаруживал магнитного монополя, хотя есть исследования их возможного существования.

На изображении показаны силовые линии, создаваемые стержневым магнитом. На лист бумаги насыпают железные начинки и под бумагу помещают стержень-магнит.Железные начинки выстраиваются в линию и показывают напряженность магнитного поля.

Источник Величина B (T)
A Фен для волос ~ 10 -7 -10 -3
Солнечный свет ~ 3 x 10 -6
Цветной телевизор ~ 10 -6
Маленький стержневой магнит произведет ~ 10 -2
На солнечном пятне B ~ 0.3
Магнит сканера тела МРТ ~ 2
Reseach Physics Labs производит до ~ 50
Поле на поверхности нейтронной звезды ~ 10 8

Типы магнетизма

Прежде чем обсуждать различные типы магнетизма, нам нужно прояснить несколько определений, которые используются для классификации типов магнетизма.

Магнитный приемник

По мере увеличения магнитного поля магнитный поток увеличивается.Обозначим напряженность магнитного поля H и магнитный поток B , постоянная пропорциональности μ 0 , она известна как магнитная диэлектрическая проницаемость

.

В вакууме μ 0 имеет значение 4π x 10 -7 H м -1 в единицах СИ

Для других материалов эта пропорциональность выражается относительной диэлектрической проницаемостью, μ r

Восприимчивость χ определяется через относительную диэлектрическую проницаемость. χ = (μ r — 1)

Ферромагнетизм

Это когда большая часть отдельных атомных магнитных моментов выстраивается в линию и создает сильное магнитное поле.Железо сильно ферромагнетик. Внешнее магнитное поле можно использовать для выравнивания атомных магнитных моментов. Когда внешнее магнитное поле удаляется, магнитные моменты остаются в том же направлении, при условии, что они не получают удара или нагреваются выше температуры Карри, когда тепловое движение может хаотизировать магнитное выравнивание.

Антиферромагнетизм

Антиферромагнитные материалы показывают модели магнитного спина с соседними атомами, вращающимися в противоположных направлениях.Обычно антиферромагнетизм проявляется при низких температурах. Поскольку спины компенсируют друг друга, в основном это приводит к парамагнитному поведению, но также может проявляться в ферримагнитном поведении.

Ферримагнетизм

Магический материал Ferri имеет два набора магнитных дипольных моментов, направленных в противоположных направлениях. Магнитные моменты не компенсируют друг друга, потому что дипольный момент в одном направлении меньше, чем в другом. На графе B-H ферримагнетизм похож на ферромагнетизм.

Парамагнетизм

Парамагнитные материалы, такие как жидкий кислород и алюминий, демонстрируют слабое магнитное притяжение при размещении рядом с магнитом. Некоторые атомы или ионы в материале обладают чистым магнитным моментом из-за неспаренных электронов на частично заполненных орбиталях. В присутствии поля происходит частичное выравнивание атомных магнитных моментов в направлении поля, что приводит к чистому положительному намагничиванию и положительной восприимчивости.

В сильном магнитном поле парамагнитные материалы становятся магнетическими и остаются магнитными, пока поле присутствует.Когда сильное магнитное поле убирается, чистое магнитное выравнивание теряется, и магнитные диполи релаксируют в случайное движение.

Диамагнетизм

Диамагнитные материалы состоят из атомов, у которых нет чистого магнитного момента. Однако при воздействии поля создается слабая отрицательная намагниченность, которая вызывает отталкивание вместо притяжения. Диамагнитные материалы имеют отрицательную восприимчивость с магнитудой от -10 до -10 -4

Многие распространенные материалы являются диамагнитными и, следовательно, в присутствии очень сильных магнитных полей отталкивание, вызванное диамагнетизмом, может заставить объекты левитировать, даже лягушки.

Магнитные свойства элементов периодической таблицы Менделеева

Квантовая теория магнетизма

Все это очень хорошо, но немного странно, почему только несколько элементов являются магнитными, а другие — нет. Чтобы объяснить, почему требуется информация об атомной структуре элементов и о том, как они взаимодействуют. Для объяснения нам нужна квантовая физика.

Магнитный момент состоит из двух различных источников. Электрон — это частица, у которой есть собственный спин, который может принимать значения ± 1/2.В ядре также есть протоны и нейтроны, которые также имеют свои собственные спины, однако магнитный момент обратно пропорционален массе, поэтому по сравнению с электроном магнитный момент ядра минимален.

Магнетон Бора — единица дипольного магнитного момента электрона:

мкм B = e ħ / (2 м e )

В единицах СИ это μ B = 9,274 x 10 -24 A m 2

Существует также вклад в магнитный момент, создаваемый электроном, движущимся вокруг ядра, который можно рассматривать как токовую петлю.Величина магнитного момента связана с угловым моментом электрона, движущегося вокруг ядра.

Мы можем вычислить вклад в магнитный момент электрона. Рассмотрим электрон с массой m и зарядом e , вращающийся по фиксированной круговой орбите на расстоянии R от центра. Электрон движется с постоянной скоростью v

Угловой момент электрона, тогда

J = R x м e v = м e R v n ^

Ток, создаваемый движением электронов по орбите, дается из определения тока, потока заряда в единицу времени или

I = dQdt = — e / T .

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.