Действие магнитного поля на проводники с током и движущиеся заряды

Магнитное поле

Впервые термин «Магнитное поле» ввел в 1845 М. Фарадей, классическая теория электромагнитного поля была создана Дж. Максвеллом (1873), квантовая теория — в 20-х годах 20 века.

Магнитное поле (МП) — это особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами.

Основные свойства магнитного поля, полученные из экспериментов (частично повторяют свойства электрического поля):

Магнитное поле материально, т.е. существует независимо от наших знаний о нем.
Порождается только движущимся электрическим зарядом: вокруг любого движущегося заряженного тела существует магнитное поле.

Магнитное поле может быть создано и магнитом, но и там, причиной появления поля является движение электронов.

Магнитное поле может быть создано и переменным электрическим полем.

Обнаружить магнитное поле можно по действию на движущийся электрический заряд (или проводник с током) с некоторой силой.
Магнитное поле распространяется в пространстве с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме.

В качестве силовой характеристики магнитного поля вводится вектор индукции магнитного поля B.

Модуль вектора индукции магнитного поля определяется как отношение максимальной силы F_max, с которой магнитное поле действует на проводник единичной длины (L = 1 м), к силе тока I в проводнике: B=Fmax·I⋅L.

В СИ единицей индукции магнитного поля является 1 Тл (Тесла): 1 Тл = 1 Н/(1 А ⋅ 1 м).

Для магнитного поля, так же как и для электрического, справедлив принцип суперпозиции:

если магнитное поле в данной точке пространства создается несколькими движущимися зарядами, то магнитные поля не искажают друг друга, и, как следствие, складываются векторно. Индукция результирующего поля равна векторной сумме индукций полей, созданных каждым движущимся зарядом.

Графически магнитные поля изображаются с помощью специальных линий, называемых линиями индукции магнитного поля. Касательная к любой линии в каждой точке направлены вдоль вектора индукции магнитного поля B . Свойства линий индукции, с одной стороны, сходны со свойствами силовых линий электростатического поля — они не пересекаются, не прерываются, густота линий больше там, где модуль вектора B больше. С другой стороны есть отличия — линии индукции магнитного поля всегда замкнуты, т.е. магнитное поле является вихревым.

Направление вектора индукции

Для определения направления вектора индукции магнитного поля, созданного магнитами, используют свободную (воображаемую) магнитную стрелку:

вектор индукции магнитного поля B направлен от южного S полюса стрелки (свободно вращающейся в магнитном поле) к северному N .

Для определения направления вектора индукции магнитного поля B проводника с током применяют правило буравчика или правило правой руки:

а) для прямого проводника с током правило правой руки имеет следующий вид:

большой палец правой руки, отставленный на 90°, направляем по току I, тогда четыре согнутых пальца, обхватывающие проводник, укажут направление вектора индукции магнитного поля B.

б) для витка (катушки) с током правило правой руки имеет следующий вид:

четыре согнутых пальца правой руки, обхватывающей виток (катушку), направляем по току I, тогда большой палец, отставленный на 90°, укажет направление вектора индукции магнитного поля B в центре витка.

Действие магнитного поля на проводники с током и движущиеся заряды

Сила Ампера — это сила, с которой магнитное поле действует на помещенный в него проводник с током.

Модуль силы Ампера равен произведению модуля индукции магнитного поля B, в котором находится проводник с током, длины этого проводника L, силы тока I в нем и синуса угла между направлениями тока и вектора индукции магнитного поля.

F_A=I⋅B⋅L⋅sinα

Этой формулой можно пользоваться:

если длина проводника такая, что индукция во всех точках проводника может считаться одинаковой;
если магнитное поле однородное (тогда длина проводника может быть любой, но при этом проводник целиком должен находиться в поле).

Для определения направления силы Ампера применяют правило левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы вектор индукции магнитного поля B входил в ладонь, четыре вытянутых пальца указывали направление тока I, тогда отогнутый на 90° большой палец укажет направление силы Ампера.

Поскольку величина B∙sin α представляет собой модуль компоненты вектора индукции, перпендикулярной проводнику с током B, то ориентацию ладони можно определять именно этой компонентой — перпендикулярная составляющая к поверхности проводника должна входить в открытую ладонь левой руки.

Сила Ампера равна нулю, если проводник с током расположен вдоль линий магнитной индукции, и максимальна, если проводник перпендикулярен этим линиям.

Сила Лоренца — это сила, с которой магнитное поле действует на движущуюся в нем заряженную частицу.

Модуль силы Лоренца равен произведению модуля индукции магнитного поля B , в котором находится заряженная частица, модуля заряда q этой частицы, ее скорости υ и синуса угла между направлениями скорости и вектора индукции магнитного поля

F_л=q⋅B⋅υ⋅sinα.

Для определения направления силы Лоренца применяют правило левой руки: если левую руку расположить так, чтобы вектор индукции магнитного поля B входил в ладонь, четыре вытянутых пальца указывали направления скорости движения положительно заряженной частицы υ, тогда отогнутый на 90° большой палец укажет направление силы Лоренца F_л . Для отрицательной частицы четыре вытянутых пальца направляют против скорости движения частицы.

Поскольку величина B∙sin α представляет собой модуль компоненты вектора индукции, перпендикулярной скорости заряженной частицы, В, то ориентацию ладони можно определять именно этой компонентой — перпендикулярная составляющая к скорости заряженной частицы должна входить в открытую ладонь левой руки.

Так как сила Лоренца перпендикулярна вектору скорости частицы, то она не может изменить значение скорости, а изменяет только ее направление и, следовательно, не совершает работы.

Движение заряженной частицы в магнитном поле

· Если скорость υ заряженной частицы массой m направлена вдоль вектора индукции магнитного поля, то частица будет двигаться по прямой с постоянной скоростью (сила Лоренца F_L = 0, т.к. α = 0°).

Если скорость υ заряженной частицы массой m перпендикулярна вектору индукции магнитного поля, то частица будет двигаться по окружности радиуса R, плоскость которой перпендикулярна линиям индукции. Тогда 2-ой закон Ньютона можно записать в следующем виде: m⋅a=F_л , где , F_л=q⋅B⋅υ⋅sinα , α = 90°, т.к. скорость частицы перпендикулярна вектору магнитной индукции. Тогда .

· Если скорость υ заряженной частицы массой m направлена под углом α (0 < α < 90°) к вектору индукции магнитного поля, то частица будет двигаться по винтовой линии радиуса R и шагом h.

Действие силы Лоренца широко используют в различных электротехнических устройствах:

электронно-лучевых трубках старых телевизоров и мониторов;
ускорителях заряженных частиц;
экспериментальных установках для осуществления управляемой термоядерной реакцией;
МГД-генераторах

С помощью силы Лоренца можно объяснить явление поляризации и возникновения ЭДС индукции в движущемся в магнитном поле проводнике.

Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 1055; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!