Сьогодні ми опустимося у захопливий світ магнітних явищ.
Магнітні поля – це невидимі, але надзвичайно потужні сили, які оточують нас всюди : від компасів та магнітів на холодильнику до роботи електродвигунів та прискорювачів частинок.
А що вже казати про вплив Землі, як гігантського магніту !
Ми розберемося, як електричний струм створює магнітне поле, і як це поле , у свою чергу, діє на провідники зі струмом та рухомі заряджені частинки .
1. Магнітне поле: Що це і як його побачити?
Магнітне поле — це особливий вид матерії, що існує навколо рухомих електричних зарядів (тобто електричного струму) та навколо постійних магнітів.
Ми не можемо побачити його очима, але можемо відчути його дію.
Як визначити напрямок магнітного поля?
Для прямого провідника зі струмом: Уявіть, що ви тримаєте провідник у правій руці. Якщо великий палець показує напрямок струму, то зігнуті пальці покажуть напрямок ліній магнітного поля навколо проводника. Це правило свердлика (або правої руки) .
Зображення: Прямий провідник, великий палець вказує вгору (струм), зігнуті пальці показують кола навколо проводника проти часникової стрілки (лінії магнітного поля).
Для котушки (солоноїду) зі струмом: Знову ж таки, візьміть котушку в праву руку. Якщо чотири зігнуті пальці показують напрямок струму у витках, то відігнутий великий палець покаже, де знаходиться "північний" полюс котушки. Саме з цього полюса виходять лінії магнітного поля.
2. Сила Ампера: Магнітне поле штовхає провідник!
Ви вже знаєте, що струм створює магнітне поле. Але що станеться, якщо провідник зі струмом помістити в інше магнітне поле? На нього діятиме сила! Цю силу називають силою Ампера . Саме завдяки їй працюють електродвигуни!
Формула сили Ампера:
F А = I ⋅ B ⋅ L ⋅sin( α ) ;
Де:
· I - сила струму у провіднику (вимірюється в Амперах , А).
· B - індукція магнітного поля (показує "силу" поля, що вимірюється в Теслах , Тл).
· L - Довжина ділянки проводника, що знаходиться в магнітному полі (вимірюється в метрах , м).
· α - угол між напрямком струму та напрямком магнітного поля.
Як визначити напрямок сили Ампера? Правило лівої руки!
1. Розташуйте ліву руку так, щоб лінії магнітного поля "входили" в ладонь (якби пронизували її).
2. Чотири витягнуті пальці направте вздовж напрямку струму у проводнику.
3. Тоді відігнутий на 90° великий палець покаже напрямок сили Ампера.
Зображення: Ліва рука, лінії поля входять до ладони, пальці вказують струм, великий палець – силу Ампера.
3. Сила Лоренца: Наслідок для окремих частинок
Якщо сила Ампера діє на провідник зі струмом (тобто на багато рухомих зарядів разом), то сила Лоренца діє на кожну окрему рухому заряджену частинку (наприклад, електрон або протон) у магнітному полі.
Формула сили Лоренца:
F Л = ∣ q ∣⋅ v ⋅ B ⋅sin( α ) ;
Де :
· ∣ q ∣ - модуль заряду частинки (вимірюється в Кулонах , Кл).
· v – швидкість руху частинки (вимірюється в метрах на секунду , м/с).
· B – індукція магнітного поля (Тл).
· α - кут між вектором швидкості частинки та напрямком магнітного поля.
Як визначити напрямок сили Лоренца? Знову Правило лівої руки!
1. Розташуйте ліву руку так, щоб лінії магнітного поля "входили" до долоні.
2. Чотири витягнуті пальці направте вздовж напрямку швидкості частинки.
3. Важливо:
o Якщо частинка позитивно заряджена (наприклад протон), то відігнутий на 90° великий палець покаже напрямок сили Лоренца.
o Якщо частинка негативно заряджена (наприклад, електрон), то сила Лоренца буде спрямована у протилежний бік від того, що вказує великий палець! Ліва рука, лінії поля входять до долоні,
пальці вказують швидкість, великий палець – силу Лоренца (і стрілка у протилежний бік для негативного заряду) .
Магнітні поля – це невидимі, але надзвичайно потужні сили, які оточують нас всюди : від компасів та магнітів на холодильнику до роботи електродвигунів та прискорювачів частинок.
А що вже казати про вплив Землі, як гігантського магніту !
Ми розберемося, як електричний струм створює магнітне поле, і як це поле , у свою чергу, діє на провідники зі струмом та рухомі заряджені частинки .
1. Магнітне поле: Що це і як його побачити?
Магнітне поле — це особливий вид матерії, що існує навколо рухомих електричних зарядів (тобто електричного струму) та навколо постійних магнітів.
Ми не можемо побачити його очима, але можемо відчути його дію.
Як визначити напрямок магнітного поля?
Для прямого провідника зі струмом: Уявіть, що ви тримаєте провідник у правій руці. Якщо великий палець показує напрямок струму, то зігнуті пальці покажуть напрямок ліній магнітного поля навколо проводника. Це правило свердлика (або правої руки) .
Зображення: Прямий провідник, великий палець вказує вгору (струм), зігнуті пальці показують кола навколо проводника проти часникової стрілки (лінії магнітного поля).
Для котушки (солоноїду) зі струмом: Знову ж таки, візьміть котушку в праву руку. Якщо чотири зігнуті пальці показують напрямок струму у витках, то відігнутий великий палець покаже, де знаходиться "північний" полюс котушки. Саме з цього полюса виходять лінії магнітного поля.
2. Сила Ампера: Магнітне поле штовхає провідник!
Ви вже знаєте, що струм створює магнітне поле. Але що станеться, якщо провідник зі струмом помістити в інше магнітне поле? На нього діятиме сила! Цю силу називають силою Ампера . Саме завдяки їй працюють електродвигуни!
Формула сили Ампера:
F А = I ⋅ B ⋅ L ⋅sin( α ) ;
Де:
· I - сила струму у провіднику (вимірюється в Амперах , А).
· B - індукція магнітного поля (показує "силу" поля, що вимірюється в Теслах , Тл).
· L - Довжина ділянки проводника, що знаходиться в магнітному полі (вимірюється в метрах , м).
· α - угол між напрямком струму та напрямком магнітного поля.
Як визначити напрямок сили Ампера? Правило лівої руки!
1. Розташуйте ліву руку так, щоб лінії магнітного поля "входили" в ладонь (якби пронизували її).
2. Чотири витягнуті пальці направте вздовж напрямку струму у проводнику.
3. Тоді відігнутий на 90° великий палець покаже напрямок сили Ампера.
Зображення: Ліва рука, лінії поля входять до ладони, пальці вказують струм, великий палець – силу Ампера.
3. Сила Лоренца: Наслідок для окремих частинок
Якщо сила Ампера діє на провідник зі струмом (тобто на багато рухомих зарядів разом), то сила Лоренца діє на кожну окрему рухому заряджену частинку (наприклад, електрон або протон) у магнітному полі.
Формула сили Лоренца:
F Л = ∣ q ∣⋅ v ⋅ B ⋅sin( α ) ;
Де :
· ∣ q ∣ - модуль заряду частинки (вимірюється в Кулонах , Кл).
· v – швидкість руху частинки (вимірюється в метрах на секунду , м/с).
· B – індукція магнітного поля (Тл).
· α - кут між вектором швидкості частинки та напрямком магнітного поля.
Як визначити напрямок сили Лоренца? Знову Правило лівої руки!
1. Розташуйте ліву руку так, щоб лінії магнітного поля "входили" до долоні.
2. Чотири витягнуті пальці направте вздовж напрямку швидкості частинки.
3. Важливо:
o Якщо частинка позитивно заряджена (наприклад протон), то відігнутий на 90° великий палець покаже напрямок сили Лоренца.
o Якщо частинка негативно заряджена (наприклад, електрон), то сила Лоренца буде спрямована у протилежний бік від того, що вказує великий палець! Ліва рука, лінії поля входять до долоні,
пальці вказують швидкість, великий палець – силу Лоренца (і стрілка у протилежний бік для негативного заряду) .
Практикум: Розв'язуємо завдання!
Тепер, коли ми озброєні знаннями, спробуймо застосувати їх на практиці.
Завдання 1: Куди штовхає провідник?
Прямий провідник зі струмом 10 А, завдовжки 20 см, розташований в однорідному магнітному полі з індукцією 0.5 Тл. Кут між напрямком струму та лініями магнітного поля становить 90∘ . Яка сила Ампера діє на провідник? Якщо струм тече вправо, а магнітне поле спрямоване від нас (позначимо його "хрестиками"), то куди буде спрямована сила Ампера?
Поміркуй!
1. Запиши всі відомі величини.
2. Пригадай формулу сили Ампера.
3. Не забудь перевести сантиметри в метри!
4. Застосуй правило лівої руки для визначення напрямку.
Рішення:
· I = 10 А
· L = 20 см = 0.2 м
· B = 0.5 Тл
· α = 90∘ ; sin(90∘)=1
F А = I ⋅ B ⋅ L ⋅sin( α )=10 А⋅0.5 Тл⋅0.2 м⋅1=1 Н
Відповідь: Сила Ампера дорівнює 1 Н і спрямована вгору.
Завдання 2: Що робить поле з електроном?
Електрон ( заряд q =−1.6⋅10 −19 Кл ) влітає в однорідне магнітне поле з індукцією 0.1 Тл зі швидкістю 3⋅106 м/с. Швидкість електрона перпендикулярна до ліній магнітного поля. Яка сила Лоренца діє на електрон? Якщо магнітне поле направлене до нас (позначимо його "точками"), а електрон летить униз, то куди буде відхилятися електрон?
Поміркуй!
1. Використовуйте модуль заряду електрона.
2. Пригадай формулу сили Лоренца.
3. Будь уважним з напрямком для негативного заряду!
Рішення:
∣ q ∣=1.6⋅10 −19 Кл
v =
B = 0.1 Тл
α = 90∘;sin(90∘)=1
F Л = ∣ q ∣⋅ v ⋅ B ⋅sin( α )=(1.6⋅10 −19 Кл)⋅(3⋅10 6 м/с)⋅(0.1 Тл)⋅1= 4.8⋅10 −14 Н
(лінії поля "до нас" входять до долоні, пальці вниз), великий палець покаже направо . Але оскільки електрон негативно заряджається, сила Лоренца буде спрямована на лівий бік .
Відповідь: Сила Лоренца дорівнює 4.8⋅10 −14 Н і спрямована вліво.
Немає коментарів:
Дописати коментар