Действие магнитного поля на помещенный в него проводник с током. Сила Ампера. Действие магнитного поля на движущийся в нем электрический заряд. Сила лоренца.

Известно, что проводники с током взаимодействуют друг с другом с определенной силой, так как на каждый проводник с током действует магнитное поле тока другого проводника. Опыт – проводник на гибких проводах между полюсами магнита приходит в движение при замыкании цепи. Направление движения зависит от направления тока и от полюсов магнита. В опыте ток течет от А к В и проводник отклоняется влево. При изменении направления тока проводник отклонится вправо. Аналогично при смене полюсов магнита.

Важное значение имеет вращение проводника с током в магнитном поле. Опыт – рамка АВСД насажена на ось. На рамке обмотка из проводов. Концы обмотки присоединены к полукольцам 2. Полукольца присоединяются к металлическим щеткам 1. Щетки нужны для подвода тока от источника. Так как ток течет от «+» к «-», то в части АВ ток будет противоположен току в части ДС. Эти части будут перемещаться в противоположные стороны и рамка повернется. При повороте полукольца также повернутся и прижмутся к другим щеткам, ток в рамке изменит направление. Рамка продолжит вращение.

 

Теперь рассмотрим, как магнитное поле действует на проводник с током.

Сила со стороны магнитного поля действует на каждый элемент тока . Результирующая сила равна сумме сил, действующих на отдельные элементы.

Французский физик Ампер установил, что два проводника, расположенные параллельно друг другу, испытывают взаимное притяжение при пропускании через них электрического тока в одном направлении и отталкиваются, если токи имеют противоположные направления. Взаимно перпендикулярные токи не действуют друг на друга. Сила, которая действует на проводник 2, со стороны внешнего магнитного поля (проводника 1) прямо пропорциональна силе тока в нем и его длине . Она также пропорциональна магнитной индукции внешнего поля и зависит от угла между векторами и . Если магнитная индукция внешнего поля направлена по току проводника 2, то сила равна нулю (угол между током и магнитной индукцией внешнего поля равен нулю, его синус равен нулю).

Сила Ампера - это сила, с которой внешнее магнитное поле действует на проводник с током.

Модуль силы Ампера равен произведению силы тока в проводнике на модуль вектора магнитной индукции, длину проводника и синус угла между вектором магнитной индукции внешнего поля и направлением тока в проводнике.

 

Сила Ампера максимальна, если вектор магнитной индукции внешнего поля перпендикулярен проводнику. Если вектор магнитной индукции параллелен проводнику, то магнитное поле не оказывает никакого действия на проводник с током, т.е. сила Ампера равна нулю.

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки:

Если левую руку расположить так, чтобы составляющая вектора магнитной индукции входила в ладонь, а 4 вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление силы, действующий на проводник с током.

Либо как результат векторного произведения на –результирующий вектор всегда перпендикулярен плоскости, в которой лежат два исходных вектора, модуль равен произведению модулей двух исходных векторов на синус угла между ними, направление определяется буравчиком, который вращается от первого вектора ко второму, а рукоятка лежит в плоскости первого и второго вектора.

 

Поскольку электрический ток – это движение заряженных частиц, то воздействие магнитного внешнего магнитного поля на проводник с током является воздействием поля на движущиеся частицы.

 

Сила Лоренца - сила, действующая со стороны внешнего магнитного поля на движущуюся электрически заряженную частицу.

Вывод можно сделать на основании закона Ампера. Сила Лоренца определяется, как отношение силы Ампера, действующей на участок проводника к числу упорядоченно движущихся заряженных частиц N в этом участке.

.

Сила тока в проводнике связана с зарядом частиц , их количеством , проходящим через поперечное сечение проводника и скорости движения .

По закону Ампера модуль силы Ампера .

 

Подставляем значение силы тока, считая, что N=n S Δ l – общее число частиц в рассматриваемом участке провода.

Таким образом, модуль силы Лоренка определяется как

Угол α – угол между направлением магнитной индукции внешнего поля и направлением скорости движения заряженной частицы.

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

Направление силы Лоренца можно определить как результат векторного произведения на . Результирующий вектор всегда перпендикулярен плоскости, в которой лежат два исходных вектора, модуль равен произведению модулей двух исходных векторов на синус угла между ними, направление определяется буравчиком, который вращается от первого вектора ко второму, а рукоятка лежит в плоскости первого и второго вектора.

 

Вообще, если есть и электрическое, и магнитное поле, то на заряд действуют две силы – электрическая и магнитная . Полная сила, действующая на частицу, равна их сумме.

 

Сила Лоренца всегда перпендикулярна скорости частицы и не совершает работы. Она не изменяет скорость заряда и его кинетическую энергию. Она меняет лишь направление движения частицы.

 

Если заряженная частица движется параллельно силовым линиям магнитного поля, то Fл = 0, и заряд в магнитном поле движется равномерно и прямолинейно.
Если заряженная частица движется перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, то сила Лоренца является центростремительной (результат векторного умножения) В этом случае частица движется по окружности.

Если угол между направлением скорости движения частицы и направлением вектора магнитной индукции внешнего поля от 0 до 90⁰ – частица движется по спирали.