Магнитное поле: сила Ампера и сила Лоренца
Индукция магнитного поля, сила Ампера, действующая на проводник с током, сила Лоренца, действующая на движущийся заряд, правило левой руки.
В этой статье вы сможете узнать:
- как найти силу, действующую на проводник с током в магнитном поле;
- как найти силу, действующую на отдельный движущийся заряд в магнитном поле;
- как использовать правило левой руки для определения направления этих сил.
Индукция магнитного поля
Магнитная индукция — векторная величина, характеризующая магнитное поле в данной точке, измеряется в теслах (Тл).
Сила Ампера
Сила Ампера — это сила, действующая со стороны магнитного поля на проводник с током:
где — индукция магнитного поля, — сила тока в проводнике, — длина проводника, находящаяся в поле, — угол между направлением тока и направлением вектора индукции.
Если проводник расположен перпендикулярно полю (), формула упрощается: . Если проводник расположен вдоль поля (), сила Ампера равна нулю.
Пример. Проводник длиной 0,5 м с током 4 А находится в однородном магнитном поле с индукцией 0,2 Тл перпендикулярно полю. Найдите силу Ампера.
Правило левой руки для силы Ампера
Чтобы определить направление силы Ампера, нужно расположить левую руку так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, четыре вытянутых пальца указывали направление тока в проводнике, тогда отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера.
Сила Лоренца
Сила Лоренца — это сила, действующая со стороны магнитного поля на отдельный движущийся заряд:
где — величина заряда, — скорость заряда, — индукция магнитного поля, — угол между направлением скорости заряда и направлением вектора индукции.
Если заряд движется перпендикулярно полю (), формула упрощается: . Если заряд движется вдоль поля (), сила Лоренца равна нулю.
Пример. Заряд Кл движется со скоростью м/с перпендикулярно магнитному полю с индукцией 0,1 Тл. Найдите силу Лоренца.
Правило левой руки для силы Лоренца
Правило левой руки применяется аналогично: линии индукции входят в ладонь, четыре пальца направлены по скорости положительного заряда (для отрицательного заряда — против скорости), тогда отогнутый большой палец покажет направление силы Лоренца.
Движение заряженной частицы в магнитном поле по окружности
Если заряженная частица влетает в однородное магнитное поле перпендикулярно линиям индукции, сила Лоренца, всегда перпендикулярная скорости, играет роль центростремительной силы, и частица движется по окружности:
Пример. Электрон массой кг и зарядом Кл влетает в магнитное поле с индукцией 0,01 Тл перпендикулярно полю со скоростью м/с. Найдите радиус окружности, по которой он движется.
Алгоритм решения задач на магнитное поле
- Определите, что действует в магнитном поле — протяжённый проводник с током (тогда используйте силу Ампера) или отдельный движущийся заряд (тогда используйте силу Лоренца).
- Определите угол между направлением тока (или скорости заряда) и направлением магнитной индукции.
- Подставьте известные величины в соответствующую формулу: или .
- Если частица движется по окружности в магнитном поле, приравняйте силу Лоренца к центростремительной силе и найдите радиус окружности: .
- Для определения направления силы используйте правило левой руки.
Примеры решения
Пример 1. Проводник длиной 0,8 м с током 2 А расположен в магнитном поле с индукцией 0,5 Тл под углом 30° к линиям поля. Найдите силу Ампера ().
Ответ: 0,4 Н.
Пример 2. Заряд Кл движется со скоростью м/с под углом 90° к магнитному полю с индукцией 0,2 Тл. Найдите силу Лоренца.
Ответ: 0,24 Н.
Пример 3. Заряженная частица массой кг и зарядом Кл движется по окружности радиусом 0,2 м в магнитном поле с индукцией 0,5 Тл. Найдите скорость частицы.
Ответ: м/с.
Часто задаваемые вопросы
Чем сила Ампера принципиально отличается от силы Лоренца? Сила Ампера действует на протяжённый проводник с током, то есть фактически представляет собой суммарное действие силы Лоренца на все свободные заряды, движущиеся внутри проводника; сила Лоренца — более общее понятие, описывающее действие магнитного поля на отдельный движущийся заряд, независимо от того, находится он внутри проводника или движется свободно (например, в вакууме).
Почему сила Лоренца не совершает работу над движущимся зарядом? Потому что сила Лоренца всегда направлена перпендикулярно скорости заряда (это следует из формулы с векторным произведением скорости и индукции) — а работа силы равна нулю, если сила перпендикулярна перемещению; поэтому магнитное поле может изменять направление скорости заряженной частицы, но не может изменять её модуль (то есть кинетическую энергию частицы).
Почему заряженная частица в однородном магнитном поле движется именно по окружности, а не по другой кривой? Потому что сила Лоренца, играющая роль центростремительной силы, постоянна по модулю (при постоянной скорости) и всегда направлена к одной и той же точке — центру траектории, что является условием равномерного движения по окружности.
Как изменится радиус окружности, если увеличить индукцию магнитного поля вдвое? Согласно формуле , радиус обратно пропорционален индукции поля — при увеличении индукции вдвое радиус окружности уменьшится вдвое (при неизменных массе, заряде и скорости частицы).
Похожие темы для изучения
- Электростатика: закон Кулона, напряжённость и потенциал
- Постоянный ток: закон Ома, соединения проводников
- Электромагнитная индукция
- Колебательный контур и электромагнитные колебания
Задачи для самостоятельного решения
- Проводник длиной 0,3 м с током 5 А находится перпендикулярно магнитному полю с индукцией 0,4 Тл. Найдите силу Ампера.
- Заряд Кл движется со скоростью м/с перпендикулярно магнитному полю с индукцией 0,25 Тл. Найдите силу Лоренца.
- Проводник длиной 1 м с током 3 А расположен под углом 45° к магнитному полю с индукцией 0,6 Тл. Найдите силу Ампера ().
- Частица массой кг (протон) и зарядом Кл движется по окружности радиусом 0,1 м в поле с индукцией 1 Тл. Найдите скорость частицы.
- Найдите радиус окружности движения электрона со скоростью м/с в магнитном поле с индукцией 0,02 Тл (масса электрона кг, заряд Кл).
- Объясните, почему сила Лоренца равна нулю, если заряд движется вдоль линий магнитного поля.