Как найти направление силы. Сила лоренца, определение, формула, физический смысл

Силой Лоренца называют силу, которая действует со стороны электромагнитного поля на движущийся электрический заряд. Весьма нередко силой Лоренца называют лишь магнитную составляющую этого поля. Формула для определения:

F = q(E+vB),

где q — заряд частицы; Е — напряжённость электрического поля; B — магнитная индукция поля; v — скорость частицы.

Сила Лоренца очень похожа по своему принципу на , разница заключается в том, что последняя действует на весь проводник, который в целом электрически нейтральный, а сила Лоренца описывает влияние электромагнитного поля лишь на единичный движущийся заряд.

Она характеризуется тем, что не изменяет скорость перемещения зарядов, а лишь воздействует на вектор скорости, то есть способна изменять направление движения заряженных частиц.

В природе сила Лоренца позволяет защищать Землю от воздействия космической радиации. Под её воздействием падающие на планету заряженные частицы отклоняются от прямой траектории благодаря присутствию магнитного поля Земли, вызывая полярные сияния.

В технике сила Лоренца используется очень часто: во всех двигателях и генераторах именно она приводит во вращение ротор под действием электромагнитного поля статора.

Таким образом, в любых электромоторах и электроприводах основным видом силы является Лоренцева. Кроме того, она применяется в ускорителях заряженных частиц, а также в электронных пушках, которые раньше устанавливались в ламповых телевизорах. В кинескопе испускаемые пушкой электроны отклоняются под влиянием электромагнитного поля, что происходит при участии Лоренцевой силы.

Кроме того, эта сила используется в масс-спектрометрии и масс-электрографии для приборов, способных сортировать заряженные частицы в зависимости от их удельного заряда (отношение заряда к массе частицы). Это позволяет с высокой точностью определять массу частиц. Также находит применение в других КИП, например, в бесконтактном способе измерения расхода электропроводящих жидких сред (расходомеры). Это очень актуально, если жидкая среда обладает очень высокой температурой (расплав металлов, стекла и др.).

Возникновение силы, действующей на электрический заряд, движущийся во внешнем электромагнитном поле

Анимация

Описание

Силой Лоренца называетсясила, действующая на заряженную частицу, движущуюся во внешнем электромагнитном поле.

Формула для силы Лоренца (F ) была впервые получена путем обобщения опытных фактов Х.А. Лоренцем в 1892 г. и представлена в работе «Электромагнитная теория Максвелла и ее приложение к движущимся телам». Она имеет вид:

F = qE + q, (1)

где q - заряженная частица;

Е - напряженность электрического поля;

B - вектор магнитной индукции, не зависящий от величины заряда и скорости его движения;

V - вектор скорости заряженной частицы относительно системы координат, в которой вычисляются величины F и B .

Первый член в правой части уравнения (1) - сила, действующая на заряженную частицу в электрическом поле F Е =qE, второй член - сила, действующая в магнитном поле:

F м = q. (2)

Формула (1) универсальна. Она справедлива как для постоянных, так и для переменных силовых полей, а также для любых значений скорости заряженной частицы. Она является важным соотношением электродинамики, так как позволяет связать уравнения электромагнитного поля с уравнениями движения заряженных частиц.

В нерелятивистском приближении сила F , как и любая другая сила, не зависит от выбора инерциальной системы отсчета. Вместе с тем магнитная составляющая силы Лоренца F м изменяется при переходе от одной системы отсчета к другой из-за изменения скорости, поэтому будет изменяться и электрическая составляющая F Е . В связи с этим разделение силы F на магнитную и электрическую имеет смысл только с указанием системы отсчета.

В скалярной форме выражение (2) имеет вид:

Fм = qVBsina , (3)

где a - угол между векторами скорости и магнитной индукции.

Таким образом магнитная часть силы Лоренца максимальна, если направление движения частицы перпендикулярно магнитному полю (a =p /2), и равна нулю, если частица движется вдоль направления поля В (a =0).

Магнитная сила F м пропорциональна векторному произведению , т.е. она перпендикулярна вектору скорости заряженной частицы и поэтому работы над зарядом не совершает. Это означает, что в постоянном магнитном поле под действием магнитной силы искривляется лишь траектория движущейся заряженной частицы, но энергия ее всегда остается неизменной , как бы частица ни двигалась.

Направление магнитной силы для положительного заряда определяется согласно векторному произведению (рис. 1).

Направление силы, действующей на положительный заряд в магнитном поле

Рис. 1

Для отрицательного заряда (электрона) магнитная сила направлена в противоположную сторону (рис. 2).

Направление силы Лоренца, действующей на электрон в магнитном поле

Рис. 2

Магнитное поле В направлено к читателю перпендикулярно рисунку. Электрическое поле отсутствует.

Если магнитное поле однородно и направлено перпендикулярно скорости, заряд массой m движется по окружности. Радиус окружности R определяется по формуле:

где - удельный заряд частицы.

Период обращения частицы (время одного оборота) не зависит от скорости, если скорость частицы много меньше скорости света в вакууме. В противном случае период обращения частицы возрастает в связи с возрастанием релятивистской массы.

В случае нерелятивистской частицы:

где - удельный заряд частицы.

В вакууме в однородном магнитном поле, если вектор скорости не перпендикулярен вектору магнитной индукции (a№p /2), заряженная частица под действием силы Лоренца (ее магнитной части) движется по винтовой линии с постоянной по величине скоростью V . При этом ее движение складывается из равномерного прямолинейного движения вдоль направления магнитного поля В со скоростью и равномерного вращательного движения в плоскости перпендикулярной полю В со скоростью (рис. 2).

Проекция траектории движения частицы на плоскость перпендикулярную В есть окружность радиуса:

период обращения частицы:

Расстояние h , которое проходит частица за время Т вдоль магнитного поля В (шаг винтовой траектории), определяется по формуле:

h = Vcos a T . (6)

Ось винтовой линии совпадает с направлением поля В , центр окружности перемещается вдоль силовой линии поля (рис. 3).

Движение заряженной частицы, влетевшей под углом a№p /2 в магнитное поле В

Рис. 3

Электрическое поле отсутствует.

Если электрическое поле E № 0, движение носит более сложный характер.

В частном случае, если векторы E иB параллельны, в процессе движения изменяется составляющая скорости V 11 , параллельная магнитному полю, вследствие чего меняется шаг винтовой траектории (6).

В том случае, если E иB не параллельны, происходит перемещение центра вращения частицы, называемое дрейфом, перпендикулярно полю В . Направление дрейфа определяется векторным произведением и не зависит от знака заряда.

Воздействие магнитного поля на движущиеся заряженные частицы приводят к перераспределению тока по сечению проводника, что находит свое проявление в термомагнитных и гальваномагнитных явлениях.

Эффект открыт нидерландским физиком Х.А. Лоренцем (1853-1928).

Временные характеристики

Время инициации (log to от -15 до -15);

Время существования (log tc от 15 до 15);

Время деградации (log td от -15 до -15);

Время оптимального проявления (log tk от -12 до 3).

Диаграмма:

Технические реализации эффекта

Техническая реализация действия силы Лоренца

Техническая реализация эксперимента по прямому наблюдению действия силы Лоренца на движущийся заряд как правило довольно сложна, так как соответствующие заряженные частицы имеют молекулярный характерный размер. Поэтому наблюдение их траектории в магнитном поле требует вакуумирования рабочего объема во избежание столкновений, искажающих траекторию. Так что специально такие демонстрационные установки как правило не создаются. Легче всего для демонстрации использовать стандартный секторный магнитный масс-анализатор Ниера, см. Эффект 409005, - действие которого целиком основано на силе Лоренца.

Применение эффекта

Типичное испольтзование в технике - датчик Холла, широко используемый в измерительной технике.

Пластинка из металла или полупроводника помещается в магнитное поле В . При пропускании через нее электрического тока плотности j в направлении перпендикулярном магнитному полю в пластине возникает поперечное электрическое поле, напряженность которого Е перпендикулярна обоим векторамj и В . По данным измерений находят В .

Объясняется этот эффект действием силы Лоренца на движущийся заряд.

Гальваномагнитные магнитометры. Масс-спектрометры. Ускорители заряженных частиц. Магнитогидродинамические генераторы.

Литература

1. Сивухин Д.В. Общий курс физики.- М.: Наука, 1977.- Т.3. Электричество.

2. Физический энциклопедический словарь.- М., 1983.

3. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики.- М.: Высшая школа, 1989.

Ключевые слова

• электрический заряд
• магнитная индукция
• магнитное поле
• напряженность электрического поля
• сила Лоренца
• скорость частицы
• радиус окружности
• период обращения
• шаг винтовой траектории
• электрон
• протон
• позитрон

Разделы естественных наук:

Сила, действующая со стороны магнитного поля на движущуюся электрически заряженную частицу.

где q - заряд частицы;

V - скорость заряда;

a - угол между вектором скорости заряда и вектором магнитной индукции .

Направление силы Лоренца определяется по правилу левой руки:

Если поставить левую руку так, чтобы перпендикулярная скорости составляющая вектора индукции входила в ладонь, а четыре пальца были бы расположены по направлению скорости движения положительного заряда (или против направления скорости отрицательного заряда), то отогнутый большой палец укажет направление силы Лоренца:

Так как сила Лоренца всегда перпендикулярна скорости заряда, то она не совершает работы (т.е. не изменяет величину скорости заряда и его кинетическую энергию).

Если заряженная частица движется параллельно силовым линиям магнитного поля, то Fл = 0 , и заряд в магнитном поле движетсяравномерно и прямолинейно.

Если заряженная частица движется перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, то сила Лоренца является центростремительной:

и создает центростремительное ускорение равное:

В этом случае частица движется по окружности.

Согласно второму закону Ньютона : сила Лоренца равнв произведению массы частицы на центростремительное ускорение:

тогда радиус окружности:

а период обращения заряда в магнитном поле:

Так как электрический ток представляет собой упорядоченное движение зарядов, то действие магнитного поля на проводник с током есть результат его действия на отдельные движущиеся заряды. Если внести проводник с током в магнитное поле (фиг.96,а), то мы увидим, что в результате сложения магнитных полей магнита и проводника произойдет усиление результирующего магнитного поля с одной стороны проводника (на чертеже сверху) и ослабление магнитного поля с другой стороны проводника (на чертеже снизу). В результате действия двух магнитных полей произойдет искривление магнитных линий и они, стремясь сократиться, будут выталкивать проводник вниз (фиг. 96, б).

Направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, можно определить по «правилу левой руки». Если левую руку расположить в магнитном поле так, чтобы магнитные линии, выходящие из северного полюса, как бы входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца совпадали с направлением тока в проводнике, то большой отогнутый палец руки покажет направление действия силы. Сила Ампера , действующая на элемент длины проводника, зависит: от величины магнитной индукции В, величины тока в проводнике I, от элемента длины проводника и от синуса угла а между направлением элемента длины проводника и направлением магнитного поля.

Эта зависимость может быть выражена формулой:

Для прямолинейного проводника конечной длины, помещенного перпендикулярно к направлению равномерного магнитного поля, сила, действующая на проводник, будет равна:

Из последней формулы определим размерность магнитной индукции.

Так как размерность силы:

т. е. размерность индукции такая же, какая была получена нами из закона Био и Савара.

Тесла (единица магнитной индукции)

Тесла, единица магнитной индукции Международной системы единиц, равная магнитной индукции, при которой магнитный поток сквозь поперечное сечение площадью 1 м 2 равен 1 веберу. Названа по имени Н. Тесла . Обозначения: русское тл, международное Т. 1 тл = 104 гс (гаусс ).

Магни?тный моме?нт , магни?тный дипо?льный моме?нт — основная величина, характеризующая магнитные свойства вещества. Магнитный момент измеряется в А⋅м 2 или Дж/Тл (СИ), либо эрг/Гс (СГС), 1 эрг/Гс = 10 -3 Дж/Тл. Специфической единицей элементарного магнитного момента является магнетон Бора . В случае плоского контура с электрическим током магнитный момент вычисляется как

где — сила тока в контуре, — площадь контура, — единичный вектор нормали к плоскости контура. Направление магнитного момента обычно находится по правилу буравчика: если вращать ручку буравчика в направлении тока, то направление магнитного момента будет совпадать с направлением поступательного движения буравчика.

Для произвольного замкнутого контура магнитный момент находится из:

где — радиус-вектор, проведенный из начала координат до элемента длины контура

В общем случае произвольного распределения токов в среде:

где — плотность тока в элементе объёма .

Итак, на контур с током в магнитном поле действует вращающий момент. Контур ориентируется в данной точке поля только одним способом. Примем положительное направление нормали за направление магнитного поля в данной точке. Вращающий момент прямо пропорционален величине тока I , площади контура S и синусу угла между направлением магнитного поля и нормали .

здесь М - вращающий момент , или момент силы , - магнитный момент контура (аналогично - электрический момент диполя).

В неоднородном поле () формула справедлива, если размер контура достаточно мал (тогда в пределах контура поле можно считать приближенно однородным). Следовательно, контур с током по-прежнему стремится развернуться так, чтобы его магнитный момент был направлен вдоль линий вектора .

Но, кроме того, на контур действует результирующая сила (в случае однородного поля и . Эта сила действует на контур с током или на постоянный магнит с моментом и втягивает их в область более сильного магнитного поля.
Работа по перемещению контура с током в магнитном поле.

Нетрудно доказать, что работа по перемещению контура с током в магнитном поле равна , где и - магнитные потоки через площадь контура в конечном и начальном положениях. Эта формула справедлива, если ток в контуре постоянен , т.е. при перемещении контура не учитывается явление электромагнитной индукции.

Формула справедлива и для больших контуров в сильно неоднородном магнитном поле (при условии I= const).

Наконец, если контур с током не смещать, а изменять магнитное поле, т.е. изменять магнитный поток через поверхность, охватываемую контуром, от значения до то для этого надо совершить ту же работу . Эта работа называется работой изменения магнитного потока, связанного с контуром. Потоком вектора магнитной индукции (магнитным потоком) через площадку dS называется скалярная физическая величина, которая равна

где B n =Вcosα - проекция вектора В на направление нормали к площадке dS (α — угол между векторами n и В ), dS = dSn — вектор, у которого модуль равен dS, а направление его совпадает с направлением нормали n к площадке. Поток вектора В может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от знака cosα (задается выбором положительного направления нормали n ). Поток вектора В обычно связывают с контуром, по которому течет ток. В этом случае положительное направление нормали к контуру нами задавалось: оно связывается с током правилом правого винта. Значит, магнитный поток, который создается контуром, через поверхность, ограниченную им самим, всегда положителен.

Поток вектора магнитной индукции Ф B через произвольную заданную поверхность S равен

Для однородного поля и плоской поверхности, которая расположена перпендикулярно вектору В , B n =B=const и

Из этой формулы задается единица магнитного потока вебер (Вб): 1 Вб — магнитный поток, который проходит сквозь плоскую поверхность площадью 1 м 2 , который расположен перпендикулярно однородному магнитному полю и индукция которого равна 1 Тл (1 Вб=1 Тл.м 2).

Теорема Гаусса для поля В : поток вектора магнитной индукции сквозь любую замкнутую поверхность равен нулю:

Эта теорема является отражением факта, что магнитные заряды отсутствуют , вследствие чего линии магнитной индукции не имеют ни начала, ни конца и являются замкнутыми.

Следовательно, для потоков векторов В и Е сквозь замкнутую поверхность в вихревом и потенциальном полях получаются различные формулы.

В качестве примера найдем поток вектора В сквозь соленоид. Магнитная индукция однородного поля внутри соленоида с сердечником с магнитной проницаемостью μ, равна

Магнитный поток сквозь один виток соленоида площадью S равен

а полный магнитный поток, который сцеплен со всеми витками соленоида и называемый потокосцеплением ,

Как и электрическое поле Е, магнитное поле, которое мы будем обозначать буквой В, есть вектор, определенный в каждой точке пространства. Если электрическое поле определено, всегда можно найти величину и направление силы, действующей на электрический заряд в любой точке пространства, умножая поле в этой точке на величину заряда, расположенного в той же точке. Введение магнитного поля (хотя свойства его несколько сложнее) служит тем же целям. Оказывается, что вместо сложной системы токов, движущихся зарядов и т. п., каждый из которых воздействует на любой другой ток или движущийся заряд системы, можно ввести единое векторное магнитное поле - этого

достаточно для определения силы, приложенной к любому току или движущемуся заряду. При этом предполагается, что силу, обусловленную действием одного токонесущего провода, можно векторно складывать с силой, вызванной другим проводом, и что полная сила равна сумме двух сил, как было в случае электростатических или гравитационных сил. В конце концов можно выразить полную силу, приложенную к движущемуся заряду, через электрическое и магнитное поля.

Это можно сделать следующим образом. Рассмотрим сначала заряд и будем предполагать, что он покоится. Из электростатики мы знаем, что сила, приложенная к нему, выражается через электрическое поле:

Смысл этого уравнения состоит в том, что сила, действующая на заряженную частицу, равна по величине и знаку заряду, умноженному на величину электрического поля, и направлена вдоль электрического поля.

Если заряд покоится, то абсолютно безразлично, есть ли вблизи него провода с токами или нет, так как, согласно экспериментам Эрстеда, Ампера и всем нашим наблюдениям, токи и магниты не оказывают никакого действия на неподвижные заряды.

Теперь предположим, что заряженная частица начинает двигаться. Если вблизи нее расположены токи или магниты, то мы обнаружим, что приложенная к заряду сила больше не равна произведению заряда на электрическое поле; более того, чем быстрее движется заряд, тем значительнее эта сила будет отличаться от силы, действующей на неподвижный заряд. Мы введем предположение, что на заряженную частицу действует дополнительная сила, пропорциональная ее скорости и обусловленная наличием магнитов или токов (фиг. 305). Эта дополнительная сила в сумме с электрической дает полную силу; результат можно представить в следующем виде:

Полная сила, приложенная к движущемся заряду, в некоторой точке пространства равна силе, вызванной электрическим полем, плюс другая сила, обусловленная наличием токов и магнитов и полностью характеризующаяся магнитным полем в этой точке. Магнитная сила пропорциональна заряду частицы и скорости частицы, а ее направление сложным образом зависит от направлений движения и магнитного поля. И снова мы с удивлением обнаруживаем, что в выражении для силы

Лоренца фигурирует значение скорости света. Чаще всего магнитные поля измеряются в единицах, принятых в системе СГС и называемых гауссами ; в системе МКС единицей магнитного поля служит тесла. Между этими единицами имеется следующее соотношение:

Полная сила, действующая на движущийся заряд со стороны электрического и магнитного полей (сила Лоренца), измеряется в динах, если скорость задается в см/с, заряд - в электростатических единицах, магнитное поле в гауссах, а электрическое поле - в эл. заряда/см2. В выражениях, содержащих токи и магнитные поля, токи следует задавать в статамперах (единицах тока в системе СГС).

Значок в выражении (20.13) обозначает новый тип произведения, а именно произведение двух векторов (см. приложения, стр. 437). Оно называется внешним, или векторным, произведением двух векторов. По определению результат такого произведения есть вектор, поэтому необходимо указать его величину, знак и направление. Этот вектор перпендикулярен плоскости, образованной исходными двумя векторами. Его величина выражается через величины исходных векторов в наиболее простой форме, когда эти два вектора взаимно перпендикулярны. Поскольку нас будет интересовать только такой случай, мы ограничимся простым определением (фиг. 306): вектор есть вектор, перпендикулярный и В и равный по величине

Условились, что этот вектор (в правой системе) смотрит в сторону движения винта с правой резьбой, когда его вращают от к В (см. приложения, стр. 437), как показано на фиг. 307.

Все, о чем говорилось выше, можно резюмировать следующим образом. Оказывается возможным определить в каждой точке пространства такие электрическое поле Е и магнитное поле В, что сила, приложенная к движущемуся заряду, будет выражаться с помощью формулы Лоренца. Свойства электромагнитной силы гораздо сложнее, чем

свойства рассмотренных ранее сил, так как величина и направление этой силы зависят не только от положения частицы, но и от ее скорости. Однако с точки зрения динамики, где для нахождения ускорения частицы требуется знание лишь действующей на нее силы, можно заключить, что задание Е и В достаточно для описания движения заряженной частицы.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Сила Лоренца – сила, действующая на точечную заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле.

Она равна произведению заряда, модуля скорости частицы, модуля вектора индукции магнитного поля и синуса угла между вектором магнитного поля и скоростью движения частицы.

Здесь – сила Лоренца, – заряд частицы, – модуль вектора индукции магнитного поля, – скорость частицы, – угол между вектором индукции магнитного поля и направления движения.

Единица измерения силы – Н (ньютон) .

Сила Лоренца — векторная величина. Сила Лоренца принимает своё наибольшее значение когда векторы индукции и направления скорости частицы перпендикулярны ().

Направление силы Лоренца определяют по правилу левой руки:

Если вектор магнитной индукции входит в ладонь левой руки и четыре пальца вытянуты в сторону направления вектора движения тока, тогда отогнутый в сторону большой палец показывает направление силы Лоренца.

В однородном магнитном поле частица будет двигаться по окружности, при этом сила Лоренца будет центростремительной силой. Работа при этом не будет совершаться.

Примеры решения задач по теме «Сила Лоренца»

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2