Как определить направление силы лоренца по рисунку

Сила Лоренца — основные понятия, формулы и определение с примерами

Центростремительное (нормальное) ускорение появляется при криволинейном движении тела и характеризует скорость изменения направления скорости с течением времени. Оно вычисляется по формуле

Согласно закону Ампера на проводник с током в магнитном поле действует сила, которую можно рассматривать как результат действия магнитного поля на все движущиеся в проводнике заряды. Отсюда можно сделать вывод, что магнитное поле оказывает силовое действие на каждый движущийся заряд.

По закону Ампера на проводник длиной

Поскольку электрический ток — направленное движение заряженных частиц, то силу тока можно представить в виде

где q — величина заряда одной частицы, n — концентрация заряженных частиц (число частиц в единице объема проводника), — средняя скорость упорядоченного движения заряженных частиц, S — площадь поперечного сечения проводника.

Тогда

где — число заряженных частиц, упорядоченно движущихся во всем объеме проводника длиной

Разделив модуль силы F на число частиц N, получим модуль силы, действующей на один движущийся заряд со стороны магнитного поля:

где v — модуль скорости движущегося заряда.

Выражение для силы, с которой магнитное поле действует на движущийся заряд, в 1895 г. впервые получил голландский физик Хендрик Антон Лоренц. В его честь эта сила называется силой Лоренца:

Как определить направление силы Лоренца

Направление силы Лоренца определяется по правилу левой руки (рис. 153):
если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная к скорости составляющая вектора индукции магнитного поля входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление движения положительно заряженной частицы, то отогнутый на 90° большой палец укажет направление силы Лоренца действующей на частицу со стороны магнитного поля. Для отрицательно заряженной частицы (например, для электрона) направление силы будет противоположным.

Поскольку сила Лоренца перпендикулярна вектору скорости, то она не может изменить модуль скорости, а изменяет только ее направление и, следовательно, работы не совершает.

Таким образом, если поле однородно, то при движении частицы перпендикулярно к магнитной индукции поля ее траекторией будет окружность (рис. 154, а), плоскость которой перпендикулярна к магнитному полю.

Ускорение частицы (R — радиус окружности) направлено к центру окружности. Используя второй закон Ньютона, можем найти период обращения частицы по окружности

и радиус окружности

описываемой частицей в магнитном поле.

Если скорость направлена под углом к индукции магнитного поля, движение заряда можно представить в виде двух независимых движений (рис. 154, б):

• равномерного вдоль поля со скоростью ( — составляющая вектора скорости, параллельная вектору индукции магнитного поля);
• по окружности радиусом R в плоскости, перпендикулярной к вектору , с постоянной по модулю скоростью ( — составляющая вектора скорости, перпендикулярная вектору индукции магнитного ноля).

В результате сложения обоих движений возникает движение по винтовой линии, ось которой параллельна магнитному полю (см. рис. 154, б). Период этого движения определяется по формуле

Действие силы Лоренца широко применяется в различных электротехнических устройствах:

1. электронно-лучевых трубках телевизоров и дисплеев;
2. ускорителях заряженных частиц (циклотронах);
3. масс-спектрометрах — приборах, определяющих отношение зарядов частиц к их массе по радиусу окружности, описываемой ими в магнитном поле;
4. магнитогидродинамических генераторах ЭДС (МГД-генератор — устройство для генерации электрических токов, использующее проводящие жидкости, движущиеся в магнитном поле).

Что такое сила Лоренца

Силой Лоренца F_Л называют силу, действующую на электрически заряженную частицу, двигающуюся в электромагнитном поле, определяя действия на нес электрической» и магнитного полей одновременно. Это выражается формулой:

где — электрическая составляющая силы Лоренца, описывающая взаимодействие движущейся частицы и равная — магнитная составляющая силы Лоренца, определяющая взаимодействие заряженной частицы с магнитным полем.

Сила Лоренца действует на движущуюся электрически заряженную частицу в электромагнитном поле.

Для упрощения рассмотрим случай, когда , а сила Лоренца равна магнитной составляющей.

Выясним, как можно рассчитать силу, действующую на движущуюся заряженную частицу в магнитном поле. Как известно, электрический ток в проводнике — это упорядоченное движение заряженных частиц. Согласно электронной теории сила тока рассчитывается по формуле:

где I — сила тока; е — заряд частицы; — концентрация частиц в проводнике; V — объем; — скорость движения частиц; S площадь поперечного сечения проводники.

Действие магнитного поля на проводник с током является действием магнитного поля на все движущиеся заряженные частицы. Поэтому формулу силы Ампера можно записать с учетом выражения силы тока в электронной теории:

Если учесть, то

Если сила Ампера является равнодействующей всех сил, действующих на N частиц, то на одну частицу будет действовать сила в N раз меньше:

Это и есть формула для расчета магнитной составляющей силы Лоренца:

Магнитная составляющая силы Лоренца

Анализ этой формулы позволяет сделать выводы, что:

1. магнитная составляющая силы Лоренца действует только на движущуюся частицу (≠ 0);
2. магнитная составляющая не действует на движущуюся частицу, которая движется вдоль линии магнитной индукции (а = 0).

Направление магнитной составляющей силы Лоренца, как и силы Ампера, определяется по правилу левой руки. При этом необходимо учитывать, что это справедливо для положительно заряженных частиц. Если определять направление силы Лоренца, действующей на электрон или другую отрицательно заряженную частицу, то, применяя правило левой руки, нужно мысленно изменять направление движения на противоположное.

Сила Лоренца направлена всегда под некоторым углом к скорости частицы, поэтому она придает ей центростремительное ускорение (рис. 2.15).

Для случая, если

Рис. 2.15. Сила Лоренца придает частице центростремительное ускорение

Таким образом, заряженная частица, попадая в магнитной поле, начинает двигаться по дуге окружности. При иных значениях α ≠ О траектория движения частицы в магнитном поле приобретает форму спирали.

Наблюдать действие силы Лоренца можно с помощью электронно-лучевой трубки, которая есть во многих осциллографах (рис. 2.16), Если включить питание осциллографа, то на его экране можно увидеть светлое пятно, появившееся в месте падения электронов на экран. Если теперь сбоку поднести к трубке постоянный магнит, то пятно сместится, что подтверждает действие магнитного поля на движущиеся электроны.

Рис. 2.16. Магнитное поле смещает электронный пучок в трубке осциллографа

Действие силы Лоренца применяется во многих приборах и технических установках. Так, смещение электронного луча, который «рисует» изображение на экране вакуумного кинескопа телевизора или дисплея компьютера, совершается магнитным полем специальных катушек, в которых проходит электрический ток, изменяющийся во времени по определенному закону,
В научных исследованиях применяют так называемые циклические ускорители заряженных частиц, в них магнитное поле мощных электромагнитов удерживает заряженные частицы на круговых орбитах.

Весьма перспективными для развития электроэнергетики являются магнито-гидродипамические генераторы (МГД-генераторы) (рис. 2.17). Поток высокотемпературного газа (плазмы), который образуется при сгорании органического топлива и имеет высокую концентрацию ионов обоих знаков, пропускается через магнитное ноле.

Puc. 2.17. Схема, объясняющая действие МГД-генератора

Вследствие действия силы Лоренца ионы отклоняются от прежнего направления движения и оседают на специальных электродах, сообщая им определенный заряд. Полученную при этом разность потенциалов можно использовать для получения электрического тока. Такие установки в будущем могут существенно повысить КПД тепловых «электростанций за счет выработки дополнительной электроэнергии при прохождении газов, которые после выхода из топки имеют довольно высокую температуру и высокую ионизацию, через MГД-генераторы.

Пример решения задачи

Электрон влетает в однородное магнитное поле с индукцией 10 -4 Тл перпендикулярно к линиям магнитной индукции. Его скорость 1.6 . 10 6 м/с. Найти радиус окружности, по которой движется электрон.

Дано: В = 10 -4 Тл, = 1,6 ∙ 10 -6 м/с, е = 1,6 • 10 -19 Кт, = 90°.	Peшение Сила Лоренца в данном случае действует под прямым углом к скорости движения электрона, не изменяя его скорости. Поэтому она придает электрону центростремительное ускорение. Таким образом, можно записать:
R-?

Отсюда

Подставим значения физических величин:

Ответ: электрон будет двигаться по круговой орбите, радиус которой 9,1 ∙ 10 -2 м.

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Telegram и логотип telegram являются товарными знаками корпорации Telegram FZ-LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Задачи на применение силы Лоренца с решением

Решение задач – обязательная практика в жизни всех студентов-технарей. В сегодняшней статье разберемся, как решать задачи на силу Лоренца.

Если вам скучно читать про решение задач, переходите в наш телеграм-канал. Там найдется интересная информация и новости для всех специальностей. А еще, у нас есть второй канал, где мы рассказываем об акциях нашего сервиса и дарим приятные скидки. Проверьте — и не упустите выгоду!

Задачи по теме «сила Лоренца»

Даже если вы не новичок, прежде чем решать задачи, прочтите общую памятку и на всякий случай держите под рукой полезные формулы.

Задача на силу Лоренца №1

Условие

Электрон с энергией 300 эВ движется перпендикулярно линиям индукции однородного магнитного поля напряженностью 465 А/м. Определить силу Лоренца, скорость и радиус траектории электрона.

Решение

Скорость электрона можно найти из формулы кинетической энергии:

E к = m · v 2 2 v = 2 E к m

Сила Лоренца является центростремительной силой, значит, по второму закону Ньютона, можно записать:

Магнитная индукция равна напряженности, умноженной на магнитную постоянную. Подставив ранее найденное выражение для скорости в формулу для радиуса и силы Лоренца, запишем:

R = m 2 E к т q μ 0 H = 2 E к т q μ 0 H F л = q 2 E к т μ 0 H ​

Теперь осталось только подставить значения и вычислить:

v = 2 · 4 , 8 · 10 — 16 9 , 1 · 10 — 31 = 3 , 25 · 10 7 м с F л = 4 · 3 , 14 · 10 — 7 · 465 · 1 , 6 · 10 — 19 · 3 , 25 · 10 7 = 3 · 10 — 15 Н R = 2 · 4 , 8 · 10 — 16 · 9 , 1 · 10 — 31 4 · 3 , 14 · 10 — 7 · 465 · 1 , 6 · 10 — 19 = 0 , 32 м

Ответ: v = 3 , 25 · 10 7 м с ; F л = 3 · 10 — 15 Н ; R = 0 , 32 м .

Задача на силу Лоренца №2

Условие

Альфа-частица влетает в магнитное поле с индукцией 1 Тл перпендинулярно силовым линиям. Найти момент импульса частицы относительно центра окружности, по которой она будет двигаться.

Решение

Когда частица влетает в поле перпендикулярно силовым линиям, на нее начинает действовать сила Лоренца, которая выполняет роль центростремительной силы. Радиус окружности, по которой будет двигаться частица:

R = m v Q B m = 6 , 65 · 10 — 27 к г — м а с с а а л ь ф а ч а с т и ц ы Q = 2 e = 3 , 2 · 10 — 19 К л — з а р я д а л ь ф а ч а с т и ц ы

Момент импульса частицы относительно центра окружности найдем по формуле:

L = m v R = m 2 v 2 Q B = 6 , 65 · 10 — 27 2 · 0 , 35 · 10 7 2 3 , 2 · 10 — 19 · 1 = 5 , 42 · 10 — 21 к г · м 2 с

Ответ: 5 , 42 · 10 — 21 к г · м 2 с .

Задача на силу Лоренца №3

Условие

В однородном магнитном поле с индукцией В = 0,5 Тл вращается с частотой n = 10 с-1 стержень длиной l = 20 см. Ось вращения параллельна линиям индукции и проходит через один из концов стержня перпендикулярно его оси. Определите разность потенциалов U на концах стержня.

Решение

Рассмотрим физическую суть процессов, проходящих в стержне. Когда стержень движется в магнитном поле, в нем возникает ЭДС индукции, которая обусловлена действием силы Лоренца на заряды стержня.

Под действием этой силы в стержне происходит разделение зарядов: свободные электроны перемещаются вверх и между концами стержня возникает разность потенциалов.

Заряды на концах стержня создают поле E, препятствующее дальнейшему разделению зарядов. В какой-то момент сила Лоренца уравновесится с силой возникающего поля:

F л = e · Е Е = F л е = e v B e = v B

Скорость нижнего конца стержня, а значит, и скорость электронов в нем, можно найти, зная частоту вращения и длину стержня:

C учетом этого, перепишется выражения для напряженности электрического поля:

Индуцируемая разность потенциалов, по определению, равна:

U = Е · l U = 2 π n l 2 B = 2 · 3 , 14 · 10 — 1 · 0 , 2 2 · 0 , 5 = 1 , 3 В

Ответ: 1,3 В.

Задача на силу Лоренца №4

Условие

Какая сила действует на заряд 0,005 Кл, движущийся в магнитном поле с индукцие 0,5 Тл со скоростью 150 м/с под углом 45 градусов к вектору магнитной индукции?

Решение

Это простейшая задача на определение силы Лоренца. Вспомним формулу и запишем, что на заряд действует сила Лоренца, равная:

F = q · v · B · sin α

Подставим значения и вычислим:

F = 0 , 005 · 150 · 0 , 5 · 2 2 = 0 , 26 Н

Ответ: 0,26 Н.

Задача на силу Лоренца №5

Условие

На тело с зарядом 0,8 мКл, движущееся в магнитном поле, со стороны поля действует сила, равная 32Н. Какова скорость тела, если вектор магнитного поля перпендикулярен ей?

Решение

Это классическая задача на применение формулы силы Лоренца. Так как векторы скорости и магнитной индукции перпендикулярны, можно записать:

F = q v B sin α = q v B v = F q B = 32 0 , 8 · 10 — 3 · 2 = 20 · 10 3 м с

Ответ: 20000 м/с.

Проходите магнитостатику? Вам также может быть интересно:

Вопросы на тему «Сила Лоренца»

Вопрос 1. Что такое сила Лоренца?

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

Сила Лоренца действует только на движущиеся заряды.

Вопрос 2. Как определить направление силы Лоренца?

Ответ. Направление силы Лоренца определяется по правилу левой руки:

Если левую руку расположить так, чтобы составляющая вектора В, перпендикулярная скорости заряда, входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по движении положительного заряда (= против движения отрицательного заряда), то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление действующей на заряд силы Лоренца.

Вопрос 3. Зависит ли сила Лоренца от знака заряда?

Ответ. Да, зависит. Для противоположных зарядов сила Лоренца будет направлена в противоположные стороны.

Вопрос 4. Совершает ли сила Лоренца работу?

Ответ. Нет. Сила Лоренца не совершает работу, т.к., являясь перпендикулярной вектору скорости частицей, может изменить лишь направление скорости, но не ее значение. Работа силы Лоренца всегда равна нулю!

Вопрос 5. По какой траектории движется частица, попадающая в магнитное поле, перпендикулярное вектору скорости?

Ответ. Частица, влетающая в магнитное поле перпендикулярно линиям магнитной индукции, будет двигаться в этом поле по окружности определенного радиуса под действием силы Лоренца.

Нужна помощь в решении задач и других заданий по учебе? Профессиональный сервис для студентов посодействует, обращайтесь в любое время!

Сила Лоренца

Как уже было сказано ранее, магнитное поле действует на движущийся заряд. В ряде экспериментов было показано, что при влёте в магнитное поле заряженной частицы, её траектория искривляется (т.е. отклоняется от прямой). Вследствие знания второго закона Ньютона и наличия центростремительного ускорения (т.к. тело движется по кривой), такое движение объясняется наличием силы — силы Лоренца.

Значение модуля этой силы:

• где
  • — сила Лоренца,
  • — заряд, движущийся в магнитном поле,
  • — скорость заряженной частицы,
  • — модуль вектора магнитной индукции,
  • — синус угла между направлением скорости и направлением вектора магнитной индукции.

  

  Рис. 1. Сила Лоренца

  Направление силы Лоренца — перпендикуляр к касательной траектории (т.е. перпендикуляр к скорости в данный момент). Однако в плоскости рисунка возможны два направления для перпендикуляра. Какое из них выбрать — вопрос заряда и правила левой руки. Пусть положительный заряд влетает в магнитное поле перпендикулярно линиям магнитной индукции () со скоростью . Поле направлено перпендикулярно поверхности «на нас». Тогда, согласно правилу левой руки, сила Лоренца направлена как показано на рисунке 1. Дальнейшее движение заряда, в нашем случае, — движение по окружности.

  В случае, если движущийся заряд будет отрицательным, направление силы изменяется на противоположное.

  Правило левой руки для силы Лоренца: ориентируем руку так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь. Четыре пальца руки сонаправляем с вектором скорости частицы, тогда противопоставленный большой палец указывает на направление силы Лоренца для положительно заряженной частицы. Направление силы Лоренца для отрицательно заряженной частицы противоположно.

  Задачи на силу Лоренца можно условно разделить на два типа:

  • направление скорости перпендикулярна линиям магнитной индукции (тогда задача сводится к записи второго закона Ньютона и плану решения задач по динамике) и фактически рисунка 1,
  • направление скорости составляет угол с линиями магнитной индукции. Тогда заряженное тело будет двигаться по спирали (рис. 2).

  

  Рис. 2. Сила Лоренца (Спираль)

  Для решения второго типа задач рассматривается логика движения тела, брошенного под углом к горизонту. Т.е. мысленно разделяем движение на две оси (вдоль и перпендикулярно полю) и анализируем движение: одно — движение по окружности, второе — прямолинейное.

  Вывод: задачи на силу Лоренца (1) практически идентичны друг другу. Обычно решаются через второй закон Ньютона и определение центростремительного ускорения. Надо чётко различать задачи, в которых частица движется в магнитном поле перпендикулярно линиям магнитной индукции (тогда тело движется по окружности) или влетает в поле под углом к линиям магнитной индукции (тогда частица движется по винтовой траектории).

  1.4. Сила Лоренца. Правило левой руки для определения направления силы Лоренца

  Силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля, называют силой Лоренца. Опытным путём установлено, что сила, действующая в магнитном поле на заряд , перпендикулярна векторами, а ее модуль определяется формулой:

  ,

  где – угол между векторами и.

  Направление силы Лоренца определяется правилом левой руки (рис. 6):

  если вытянутые пальцы расположить по направлению скорости положительного заряда, а силовые линии магнитного поля будут входить в ладонь, то отогнутый большой палец укажет направление силы , действующей на заряд со стороны магнитного поля.

  Для отрицательного заряда направление следует изменить на противоположное.

  

  Рис. 6. Правило левой руки для определения направления силы Лоренца.

  1.5. Сила Ампера. Правило левой руки для определения направления силы Ампера

  Экспериментально установлено, что на проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует сила, получившая название силы Ампера (см. п. 1.3.). Направление силы Ампера (рис. 4) определяется правилом левой руки (см. п. 1.3).

  Модуль силы Ампера вычисляется по формуле

  _,

  где – сила тока в проводнике,— индукция магнитного поля,— длина проводника,— угол между направлением тока и вектором.

  1.6. Магнитный поток

  Магнитным потоком сквозь замкнутый контур называется скалярная физическая величина, равная произведению модуля вектора на площадьконтура и на косинус угла между вектором и нормалью к контуру (рис. 7):

  

  

  Рис. 7. К понятию магнитного потока

  Магнитный поток наглядно можно истолковать как величину, пропорциональную числу линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность площадью .

  Единицей магнитного потока является вебер .

  Магнитный поток в 1 Вб создается однородным магнитным полем с индукцией 1 Тл через поверхность площадью 1 м 2 , расположенную перпендикулярно вектору магнитной индукции:

  2. Электромагнитная индукция

  2.1. Явление электромагнитной индукции

  В 1831г. Фарадей обнаружил физическое явление, получившее название явления электромагнитной индукции (ЭМИ), заключающееся в том, что при изменении магнитного потока, пронизывающего контур, в нем возникает электрический ток. Полученный Фарадеем ток называется индукционным.

  Индукционный ток можно получить, например, если постоянный магнит вдвигать внутрь катушки, к которой присоединен гальванометр (рис. 8, а). Если магнит вынимать из катушки, возникает ток противоположного направления (рис. 8, б).

  Индукционный ток возникает и в том случае, когда магнит неподвижен, а движется катушка (вверх или вниз), т.е. важна лишь относительность движения.

  Но не при всяком движении возникает индукционный ток. При вращении магнита вокруг его вертикальной оси тока нет, т.к. в этом случае магнитный поток сквозь катушку не изменяется (рис. 8, в), в то время как в предыдущих опытах магнитный поток меняется: в первом опыте он растет, а во втором – уменьшается (рис. 8, а, б).

  Направление индукционного тока подчиняется правилу Ленца:

  возникающий в замкнутом контуре индукционный ток всегда направлен так, чтобы создаваемое им магнитное поле противодействовало причине, его вызывающей.

  Индукционный ток препятствует внешнему потоку при его увеличении и поддерживает внешний поток при его убывании.

  

  Рис. 8. Явление электромагнитной индукции

  Ниже на левом рисунке (рис. 9) индукция внешнего магнитного поля , направленного «от нас» (+) растет (>0), на правом – убывает (<0). Видно, чтоиндукционный ток направлен так, что его собственное магнитное поле препятствует изменению внешнего магнитного потока, вызвавшего этот ток.

  Похожие публикации:

  1. Газовый котел 24 квт на какую площадь рассчитан
  2. Где располагаются электрические заряды на заряженном проводнике
  3. Как построить погреб своими руками на даче под землей с лестницей
  4. Как проложить кабель канал по стене в квартире