Experimenty ukazují, že na náboj pohybující se v magnetickém poli působí síla zvaná Lorentzova síla. Podívejme se krátce na vlastnosti této síly.

Objev Lorentzovy síly

Magnetické pole v klidu neinteraguje s náboji a po dlouhou dobu nebyla objevena souvislost mezi magnetickými a elektrickými jevy. Poprvé bylo takové spojení – vliv vodiče s proudem na střelku kompasu – objeveno v první polovině XNUMX. století. H. Oersted. Opačný jev – vliv magnetického pole na vodič s proudem (a také vzájemné působení dvou vodičů s proudem) – záhy objevil A. Ampere.

Vliv magnetického pole na vodič s proudem

Rýže. 1. Vliv magnetického pole na vodič s proudem.

Mechanismus vzniku ampérové ​​síly byl však studován až ke konci XNUMX. století. V této době se ukázalo, že elektrický proud je uspořádaný pohyb nabitých částic. Ampérová síla tedy vzniká v důsledku skutečnosti, že magnetické pole působí silou na pohybující se náboje.

Takovou sílu objevil H. Lorenz. Přišel s jeho vzorcem.

Vlastnosti Lorentzovy síly

Protože Lorentzova síla je síla působící na pohybující se náboj v magnetickém poli, její velikost závisí na všech třech hodnotách: na velikosti náboje, na rychlosti a na indukci magnetického pole:

$$F_L = qvB sin alpha$$

Vzorec však obsahuje ještě jeden parametr – úhel $alpha$, který charakterizuje směr Lorentzovy síly. To je úhel mezi směrem pohybu nosiče náboje (jeho vektorem rychlosti) a vektorem magnetické indukce.

Faktem je, že na rozdíl od mnoha jiných sil se směr Lorentzovy síly neshoduje ani se směrem pohybu nosiče náboje, ani se směrem ke zdroji magnetického pole a její výskyt závisí na vzájemném směru působení magnetického pole. magnetické pole a rychlost nabíjení. Lorentzova síla je kolmá k rovině tvořené vektory magnetické indukce a rychlosti náboje.

Vezměte prosím na vědomí, že pokud se směr pohybu náboje a směr magnetických indukčních čar shodují, pak je úhel $alfa$ nulový a neexistuje žádná Lorentzova síla.

Lorentzova síla

Rýže. 2. Lorentzova síla.

pravidlo levé ruky

Pro Lorentzovu sílu je pravidlo levé ruky formulováno následovně.

Pokud čtyři natažené prsty levé ruky ukazují směr pohybu kladného náboje a magnetické siločáry vstoupí do dlaně a „probodnou“ ji, pak vytažený palec ukáže směr Lorentzovy síly.

ČTĚTE VÍCE
Jaké typy potrubních armatur se rozlišují podle účelu?

Podívejme se, jak funguje pravidlo levé ruky k určení Lorentzovy síly. Řekněme, že se elektron pohybuje „na nás“, zepředu dozadu, severní magnetický pól je umístěn vpravo a jižní magnetický pól je vlevo. Kam směřuje Lorentzova síla?

Pravidlo je formulováno pro kladný náboj, např. pro proton. Elektron je záporně nabitý, proto by čtyři natažené prsty levé ruky měly směřovat proti jeho pohybu – dopředu.

Magnetické siločáry směřují od severního k jižnímu pólu, tedy zprava doleva. Levou ruku postavíme tak, aby tyto linie zapadly do dlaně. Čtyři natažené prsty směřují stále dopředu, to znamená, že dlaň leží na stole „na hraně“, se čtyřmi prsty dopředu.

Protažený palec bude směřovat nahoru. Na elektron tak bude působit Lorentzova síla směrem nahoru.

Pro posílení pravidla levé ruky můžete vymyslet další příklady s jinými směry.

pravidlo levé ruky

Rýže. 3. Pravidlo levé ruky.

co jsme se naučili?

Náboj pohybující se v magnetickém poli je vystaven Lorentzově síle. Velikost této síly je úměrná velikosti náboje, jeho rychlosti, indukci magnetického pole a závisí na vzájemném směru těchto vektorů. Pravidlo levé ruky se používá k určení směru Lorentzovy síly.

Marie Ampere dokázala, že za přítomnosti elektrického proudu ve vodiči v magnetickém poli interaguje se silami tohoto pole. Vzhledem k tomu, že elektrický proud není nic jiného než uspořádaný pohyb elektronů, lze předpokládat, že na jednu nabitou částici podobně působí i elektromagnetická pole. To opravdu je. Bodový náboj je ovlivněn Lorentzovou silou, jejíž modul lze vypočítat podle vzorce.

Definice a vzorec

Hendrik Lorentz dokázal, že elektromagnetická indukce interaguje s nabitými částicemi. Tyto interakce vedou ke vzniku Lorentzovy síly. Uvažovaná síla vzniká působením magnetické indukce. Je kolmá na vektor rychlosti pohybující se částice (viz obr. 1). Nezbytnou podmínkou pro vznik této síly je pohyb elektrického náboje.

Lorenzovy závěry

Rýže. 1. Závěry Lorenze

Věnujte pozornost umístění vektorů (obrázek vlevo nahoře). Vektory udávající směry rychlosti a Lorentzovy síly leží ve stejné rovině XOY a jsou umístěny pod úhlem 90°. Vektor magnetické indukce je orientován podél osy Z kolmo k rovině XOY, což znamená, že ve zvoleném souřadnicovém systému je kolmý na vektory síly a rychlosti.

ČTĚTE VÍCE
Jak správně připojit vodiče ve spojovací krabici?

Vzhledem k tomu

(tady j je aktuální hustota, q- na jedno nabití, n je počet nábojů na nekonečně malou jednotku délky vodiče, S je průřez vodiče, symbol v značí modul rychlosti pohybující se částice), Ampérův vzorec zapíšeme ve tvaru:

Varianta Amperova vzorce

Protože nSdl celkový počet nábojů v objemu vodiče, pak pro zjištění síly působící na bodový náboj vydělíme výraz počtem částic:

Síla působící na bodový náboj je vzorec

Modul F se vypočítá podle vzorce:

modul síly F

Ze vzorce vyplývá:

  1. Lorentzova síla nabývá maximální hodnoty, je-li úhel α přímý.
  2. Jestliže bodový náboj, například elektron, vstoupí do prostředí rovnoměrného magnetického pole, které má určitou počáteční rychlost kolmou k čarám elektromagnetické indukce, pak bude vektor F kolmý k vektoru rychlosti. Na bodový náboj bude působit odstředivá síla, díky které bude rotovat v kruhu. V tomto případě je práce rovna nule (viz obr. 2).
  3. Pokud úhel mezi indukčním vektorem a rychlostí částice není 90º, pak se náboj bude pohybovat po spirále. Směr otáčení závisí na polaritě náboje (obr. 3).

Obrázek 3 ukazuje, že vektor F směřuje opačným směrem, pokud je znaménko náboje obráceno (za předpokladu, že směry ostatních vektorů zůstanou nezměněny).

Trajektorie pohybu částice se správně nazývá šroubovice. Poloměr této šroubovice (cyklotronový poloměr) je určen složenou počáteční rychlostí částice kolmou k poli. Krok šroubovice, po které se částice pohybuje, je určen složenou počáteční rychlostí náboje, který vstoupil do rovnoměrného magnetického pole. Tato součástka je nasměrována rovnoběžně s elektromagnetickými čarami.

Co se měří?

Dimenze Lorentzovy síly v mezinárodní soustavě SI je Newton (N). Samozřejmě, modul Lorentzovy síly je ve srovnání s Newtonem tak malý, že se píše jako K × 10-n N, kde 0

Kdy k tomu dojde?

Magnetická pole nereagují na stacionární elektrický náboj, stejně jako síla Ampér nepůsobí na vodič bez napětí.

Aby Lorentzova síla nastala, musí být splněny tři podmínky:

  1. Částice musí mít kladný nebo záporný náboj.
  2. Nabitá částice musí být v magnetickém poli.
  3. Částice musí být v pohybu, tedy vektor v ≠ 0.

Pokud není splněna alespoň jedna z podmínek, Lorentzova síla nevzniká.

Vzorec pro Lorentzovu sílu v přítomnosti magnetických a elektrických polí

Zvažte případ, kdy se nabitá částice pohybuje ve dvou polích současně (v elektrickém a magnetickém), pak na náboj budou působit dvě složky:

ČTĚTE VÍCE
Může být mikrovlnná trouba umístěna na kovovém povrchu?

2 složky působící na náboj

Protože tento vzorec odvodil Lorentz, nazývá se také jménem fyzika.

Směr Lorentzovy síly

Již jsme zmínili, že směr vznikající Lorentzovy síly je kromě magnetických parametrů dán (mimo jiné) polaritou náboje. Pokud bychom měli možnost pozorovat nabitou elementární částici v magnetickém poli, pak by podle jejího vektoru posunutí bylo možné určit směr vektoru síly F.

Ale v praxi je velmi obtížné pozorovat elementární náboje kvůli jejich malé velikosti. K určení tohoto směru se proto používá metoda známá jako pravidlo levé ruky (obr. 4).

Hledání Lorentzova vektoru síly

Rýže. 4. Nalezení vektoru Lorentzovy síly

Dlaň musí být otočena tak, aby do ní vstoupil indukční vektor. V případě kladného náboje jsou natažené prsty umístěny podél pohybu částice. (pro záporný náboj prsty ukazují opačným směrem). Palec v pravém úhlu ukazuje požadovaný směr.

Pokud je známa orientace vektoru rychlosti částice, pak lze směry zbývajících vektorů určit aplikací pravidla pravé ruky, které je zřejmé z obrázku 5.

Příklad použití pravidla pravé ruky

Rýže. 5. Příklad použití pravidla pravé ruky

Praktická aplikace

Praktický význam Lorentzovy práce můžeme sledovat v katodových trubicích. Tam se tok elektronů pohybuje v magnetickém poli, jehož změna nastavuje dráhu elektronového paprsku.

Tento princip řízení trajektorie elektronového paprsku se používal u starých modelů televizorů. 6). Elektrony pod vlivem magnetických polí vykreslovaly čáry na fosfor kineskopu a kreslily obrazy na obrazovce.

Aplikace Lorentzova učení

Rýže. 6. Aplikace Lorentzova učení

Na obrázku vpravo je schéma hmotnostního spektrografu – zařízení pro separaci nabitých částic podle velikosti jejich nábojů.

Dalším příkladem je bezkontaktní elektromagnetická metoda pro stanovení průtoku (viskozity) elektricky vodivých kapalin. Technika může být aplikována na roztavené kovy, jako je hliník. Bezkontaktní metoda stanovení viskozity je velmi užitečná při práci s agresivními kapalnými elektricky vodivými látkami (obr. 7).

Měření průtoku kapalných látek

Rýže. 7. Měření průtoku kapalných látek

Práce urychlovačů by byla nemožná bez účasti Lorentzovy síly. V těchto zařízeních jsou nabité částice drženy a urychlovány na rychlost blízkou rychlosti světla díky elektromagnetům umístěným podél prstencové dráhy.

Výkonná elektronka – Magnetron funguje také na principu interakce elektronů s magnetickými poli, které směrují vysokofrekvenční záření správným směrem. Magnetron je hlavní pracovní částí mikrovlnné trouby.

ČTĚTE VÍCE
Jak ošetřit hrozny na podzim v říjnu proti chorobám?

Na základě působení Lorentzovy síly vzniklo mnoho dalších v praxi používaných zařízení.