Сила Лоренца
Дія магнітного поля на провідник зі струмом є результатом дії поля на рухомі заряджені частинки всередині провідника.
Силу, яка діє на кожен рухомий заряд з боку магнітного поля, називають силою Лоренца. Її можна знайти за допомогою сили Ампера:
,
де N - кількість вільних носіїв заряду в провіднику.
Розглянемо ділянку провідника зі струмом (рис.4.4.6). Нехай його довжина Dl і площа поперечного перерізу S настільки малі, що індукцію магнітного поля можна вважати незмінною в межах провідника. Сила струму в провіднику згідно з формулою
З урахуванням рівняння ,сила Ампера:
, де nSDl = N - кількість вільних носіїв заряду.
Підставивши вираз для сили Ампера у формулу , знаходимо вираз для сили Лоренца:
;
,
де α - кут між векторами швидкості вільних носіїв заряду і магнітної індукції.
Напрям сили Лоренца, як і напрям сили Ампера визначається за допомогою правила лівої руки (рис.4.4.7). Якщо ліву руку розмістити так, щоб складова магнітної індукції , перпендикулярна до швидкості заряду, входила у долоню, а чотири пальці були напрямлені за рухом позитивного заряду (проти руху негативного), то відігнутий на 90? великий палець покаже напрям сили Лоренца Fл, що діє на заряд.
Оскільки сила Лоренца перпендикулярна до швидкості частинки, то вона не виконує роботу. Згідно з теоремою про кінетичну енергію це означає, що вона не змінює кінетичної енергії частинки і, отже, модуля її швидкості. Під дією сили Лоренца змінюється лише напрям швидкості частинки. Якщо частинка влітає перпендикулярно до вектора магнітної індукції, то в магнітному полі вона буде рухатися по колу (рис.4.4.8). Якщо частинка влітає під кутом , то вона далі в магнітному полі буде рухатися по спіралі (рис.4.4.9).
Дію магнітного поля на рухомий заряд широко використовують у сучасній техніці. У кінескопах телевізорів електрони, що летять до екрана, відхиляються магнітним полем. Дію сили Лоренца застосовують у мас-спектрографах - приладах, що дозволяють визначати маси частинок за знайденими значеннями їх питомих зарядів.
Приклади розв’язування задач
1. На провідник завдовжки 0,8м, що міститься в однорідному магнетному полі перпендикулярно до силових ліній, діє сила в 5 Н, коли по провіднику проходить струм 5 А. Визначити магнетну індукцію поля.
Розв’язання:
Відповідь: 1,25Тл.
1. Протон у магнетному полі з індукцією 0,01Тл, описав півкола радіусом 10см. Знайти швидкість протона і період його обертання.
Розв’язання:
А період обертання протона в магнетному полі:
Відповідь: 9,6·104 м/с; 6,5·10-6с.
2. Два паралельних тонких провідника розміщені у повітрі на відстані 60см один від одного. Визначити силу взаємодії провідників на довжині 3м, якщо по першому проходить струм 15А, а по другому 30А. Струм проходить в одному напрямі.
Розв’язання:
Відповідь: 4,5мН.
3. Заряд з сталою швидкістю влітає в однорідне магнетне поле перпендикулярно до ліній індукції. Індукція поля 1Тл. Протягом 10-4с паралельно магнетному полю діє електричне поле напруженістю 100 В/м. Обчислити сталий крок спіральної траєкторії заряду.
Розв’язання:
Прирівнявши, отримаємо радіус кола R, по якому рухається заряд:
Період обертання заряду:
Якщо електричне поле діє короткочасно, то виникає електрична складова сили Лоренца, напрямлена паралельно полю.
- напруженість електричного поля.
За час t складова швидкості зростає від 0 до 1, тоді
Наявність складової швидкості 1, яка перпендикулярна до
, означає, що заряд рухається по спіралі.
Відповідь: 0,06Тл.
8.Магнітні властивості речовини
Гіпотеза Ампера. Пояснення магнітних властивостей речовини можливе лише на основі квантових уявлень. Тому слід дати найзагальніше уявлення про те, що магнітні властивості речовини визначаються магнітними властивостями атомів і елементарних частинок (в основному електронів). Гіпотеза Ампера передбачила сучасну електронну теорію магнітних власти-востей речовини.
Гіпотеза Ампера: магнітні властивості будь-якого тіла визначають-ся замкнутими електричними струмами всередині нього.
Елементарні струми (за Ампером) у речовині циркулюють тому, що в кожному атомі обертаються навколо ядра електрони (з величезною частотою порядку 1015 об/с); саме вони й утворюють так звані орбітальні струми й пов'язані з ними магнітні поля. Крім того, електрони мають ще й власне магнітне поле. Наочною моделлю стану частинки, за якого вона має власне магнітне поле, може бути дзиґа, яка обертається.
Обидва ці магнітні поля, додаючись, створюють результуюче магнітне поле атома. Природно припустити існування двох типів атомів:
1)які мають елементарне магнітне поле незалежно від існування зов -нішнього магнітного поля;
2) у яких це елементарне поле відсутнє, тобто орбітальні й власні поля компенсуються.
Гіпотеза Ампера пояснює, чому магнітна стрілка й рамка зі струмом у магнітному полі поводяться однаково. Стрілку можна розглядати як сукупність маленьких контурів зі струмом, орієнтованих однаково.
Магнітна проникність речовини. Через котушки — одну довгу (нерухому), іншу коротку (підвішену) пропускаємо струм. На деякій відстані їхня взаємодія не є помітною. Всередину довгої котушки вводять сталевий стрижень. Коротка котушка притягнеться до неї. Якщо ввести мідний або алюмінієвий стрижень, то магнітна взаємодія злегка зміниться, але на даному досліді це виявити дуже важко.
Цей дослід дозволяє ввести поняття про магнітну проникність речо-вини. Магнітна індукція усередині котушки зі струмом без сердечника дорівнює ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() |
Приклади розв’язування задач
1. Скільки витків має котушка індуктивністю 0,003 Гн, якщо при зміні струму на 3А магнітний потік всередині котушки дорівнює 6·10-6Вб?
Розв’язання:
Прирівнявши
-n , n =
Підставивши числові значення, дістанемо: n = витків
Відповідь: n = 1500 витків.
2. Знайти індуктивність провідника, в якому збільшення сили струму від 1,5А до 3,5А протягом 0,25с збуджує ЕРС самоіндукції 20мВ.
Розв’язання:
L = Гн = 2,5мГн
Відповідь: L =2,5 мГн.
3. В однорідному магнітному полі індукцією 0,1Тл розміщена прямокутна рамка АВСD, рухома сторона якої ВС переміщається з швидкістю 10м/с перпендикулярно до ліній індукції поля. Визначити ЕРС індукції, яка виникає в котушці ABCD. Визначити напрям індукційного струму. Довжина сторони рамки ВС дорівнює 0,1м.
Розв’язання:
Рамку пронизує магнітний потік: Ф=BS=Blx
, B і l не змінюються, змінюється тільки х.
Врахуємо =
- швидкість руху провідника ВС, отже
10. Явище самоіндукції.
Якщо по замкненому контуру проходить змінний струм, то магнітний потік, що пронизує контур, змінюється. Тому згідно із законом електромагнітної індукції Фарадея в цьому ж провіднику виникає ЕРС індукції. Це явище називають самоіндукцією. Під час самоіндукції провідний контур відіграє подвійну роль: по ньому проходить струм, що викликає індукцію, і в ньому ж з'являється ЕРС індукції ei.
Згідно з правилом Ленца в момент збільшення сили струму напруженість електричного вихрового поля напрямлена проти струму. Отже, в цей момент самоіндукція перешкоджає наростанню струму. Навпаки, в момент зменшення струму самоіндукція його підтримує.
Це приводить до того, що під час замикання кола зі сталою ЕРС певне значення струму встановлюється не одразу, а поступово, з часом (рис.4.4.17). Під час вимикання джерела струм в замкненому контурі не зникає миттєво. При цьому ЕРС самоіндукції може перевищувати ЕРС джерела, оскільки зміна струму і, отже, його магнітного поля під час вимкнення джерела відбувається дуже швидко. Цим міркуванням можна знайти експериментальне підтвердження. Нехай дві однакові лампочки Л1 і Л2 з'єднані паралельно через резистор R і котушку індуктивності L в колі з джерелом постійного струму Б і перемикачем К (рис.4.4.18). Під час замикання кола ключем К лампочка Л1 загорається миттєво. Лампочка Л2 загоряється із запізненням. Це пояснюється тим, що сила струму на ділянці кола з котушкою через явище самоіндукції встановлюється не одразу, а поступово (рис.4.4.17).
Під час розмикання кола ключем К спалахнуть обидві лампочки. У цьому випадку струм у колі підтримується ЕРС самоіндукції, що виникає під час зменшення магнітного потоку в котушці.
Явище самоіндукції подібне до явища інерції в механіці. Унаслідок самоіндукції під час замикання кола сила струму не одразу набуває максимального значення. І, навпаки, під час вимикання джерела струм не зникає одразу, а самоіндукція підтримує його деякий час, не зважаючи на опір кола.
11. Індуктивність.
Мірою "інертності" контуру відносно змін сили струму в ньому (аналогічно масі тіла в механіці) в електродинаміці відіграє індуктивність або коефіцієнт самоіндукції контуру L. Це коефіцієнт пропорційності між струмом у провідному контурі і створеним ним магнітним потоком, що пронизує цей контур:
Ф = LI
Використовуючи закон електромагнітної індукції і вираз за умови, що форма контуру залишається незмінною, дістаємо рівність
Індуктивність, як і електроємність, залежить від геометричних чинників: від розмірів провідника і його форми, але не залежить безпосередньо від сили струму в провіднику. Крім того, індуктивність залежить від магнітних властивостей середовища, в якому знаходиться провідник. Наприклад, індуктивність соленоїда (довгої котушки, обкрученої провідником): L = 0n2V,
де 0 - магнітна стала, значення якої в СІ дорівнює 4
·10-7H/A2; n - кількість витків на одиницю довжини (n=
); V = Sl - об'єм соленоїда.
Одиниця індуктивності в СІ - генрі (Гн). Індуктивність провідника дорівнює 1 Гн, якщо в ньому із зміною сили струму на 1 А за 1 с виникає ЕРС самоіндукції 1 В:
.
Явище самоіндукції відіграє дуже важливу роль в електротехніці й радіотехніці. Індуктивність кола істотно впливає на проходження в ньому змінного електричного струму.
Повернемося до досліду (рис.4.4.18). Під час розмикання кола лампа розжарення Л1, ввімкнена паралельно котушці, дає короткотривалий спалах. Струм у колі виникає під дією ЕРС самоіндукції. Джерелом енергії, що виділяється при цьому в електричному колі, є магнітне поле котушки.
12.Енергія магнітного поля
Енергію магнітного поля котушки індуктивності знайдемо, виходячи з таких міркувань. Нехай після розмикання кола струм зменшується з часом за лінійним законом. У цьому разі ЕРС самоіндукції має постійне значення, що дорівнює
,
де t - час, за який сила струму в колі лінійно зменшується від початкового значення І до 0.
За цей час в колі проходить електричний заряд
Робота електричного струму при цьому
Ця робота виконується за рахунок енергії магнітного поля котушки індуктивності.
Енергія Wм магнітного поля котушки індуктивності дорівнює половині добутку її індуктивності на квадрат сили струму в ній:
Рекомендована література
1. Сиротюк В.Д. Фізика; підручник для 11 класів загальноосвітніх навчальних закладів (рівень стандарту), 2010
2. Дмитрієва В.Ф. Фізика. Навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів 1-2 рівнів акредитації, 2008
3. Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Фізика. Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів. – К.: Высшая школа, 1983
4. Сиротюк В.Д. Фізика; підручник для 11 класів загальноосвітніх навчальних закладів (рівень стандарту), 2011
5.Сборник задач и вопросов по физике для средних специальных учебных заведений ( под редакцией Р.А.Гладковой), 1988
6. Кирик Л.А. Фізика 11 клас. Запитання , задачі, тести (рівень стандарту), 2010
7. Кирик Л.А. Фізика 11 клас. Різнорівневі самостійні та тематичні контрольні роботи (рівень стандарту), 2010
8. Збірник різнорівневих завдань для державної підсумкової атестації з фізики