Закрыть

Какую силу называют силой лоренца: Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца

Содержание

Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца

Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца

Подробности
Просмотров: 626

«Физика — 11 класс»

Магнитное поле действует с силой на движущиеся заряженные частицы, в то числе и на проводники с током.
Какова же сила, действующая на одну частицу?

1.
Силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля, называют силой Лоренца в честь великого голландского физика X. Лоренца, создавшего электронную теорию строения вещества.
Силу Лоренца можно найти с помощью закона Ампера.

Модуль силы Лоренца равен отношению модуля силы F, действующей на участок проводника длиной Δl, к числу N заряженных частиц, упорядоченно движущихся в этом участке проводника:

Так как сила (сила Ампера), действующая на участок проводника со стороны магнитного поля
равна F = | I | BΔl sin α

,
а сила тока в проводнике равна I = qnvS
где
q — заряд частиц
n — концентрация частиц (т.е. число зарядов в единице объема)
v — скорость движения частиц
S — поперечное сечение проводника.

тогда получаем:
На каждый движущийся заряд со стороны магнитного поля действует сила Лоренца, равная:

где α — угол между вектором скорости и вектором магнитной индукции.

Сила Лоренца перпендикулярна векторам и .

2.
Направление силы Лоренца

Направление силы Лоренца определяется с помощью того же правила левой руки, что и направление силы Ампера:

Если левую руку расположить так, чтобы составляющая магнитной индукции, перпендикулярная скорости заряда, входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по движению положительного заряда (против движения отрицательного), то отогнутый на 90° большой палец укажет направление действующей на заряд силы Лоренца F

л.

3.
Если в пространстве, где движется заряженная частица, существует одновременно и электрическое поле, и магнитное поле, то суммарная сила, действующая на заряд, равна: = эл + л где сила, с которой электрическое поле действует на заряд q, равна Fэл = q.

4.
Cила Лоренца не совершает работы, т.к. она перпендикулярна вектору скорости частицы.
Значит сила Лоренца не меняет кинетическую энергию частицы и, следовательно, модуль ее скорости.
Под действием силы Лоренца меняется лишь направление скорости частицы.

5.
Движение заряженной частицы в однородном магнитном поле

Есть однородное магнитное поле , направленное перпендикулярно к начальной скорости частицы .

Сила Лоренца зависит от модулей векторов скорости частицы и индукции магнитного поля.

Магнитное поле не меняет модуль скорости движущейся частицы, значит остается неизменным и модуль силы Лоренца.
Сила Лоренца перпендикулярна скорости и, следовательно, определяет центростремительное ускорение частицы.
Неизменность по модулю центростремительного ускорения частицы, движущейся с постоянной по модулю скоростью, означает, что

В однородном магнитном поле заряженная частица равномерно движется по окружности радиусом r.

Согласно второму закону Ньютона

Тогда радиус окружности, по которой движется частица, равен:

Время, за которое частица делает полный оборот (период обращения), равно:

6.
Использование действия магнитного поля на движущийся заряд.

Действие магнитного поля на движущийся заряд используют в телевизионных трубках-кинескопах, в которых летящие к экрану электроны отклоняются с помощью магнитного поля, создаваемого особыми катушками.

Сила Лоренца используется в циклотроне — ускорителе заряженных частиц для получения частиц с большими энергиями.

На действии магнитного поля основано также и устройство масс-спектрографов, позволяющих точно определять массы частиц..

Источник: «Физика — 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин



Магнитное поле. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика

Магнитное поле и взаимодействие токов — Магнитная индукция. Линии магнитной индукции — Модуль вектора магнитной индукции. Сила Ампера — Электроизмерительные приборы. Громкоговоритель — Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца — Магнитные свойства вещества — Примеры решения задач — Краткие итоги главы

Сила Лоренца 🐲 СПАДИЛО.РУ

Определение

Сила Лоренца — сила, действующая на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля.

Модуль силы Лоренца обозначается как FЛ. Единица измерения — Ньютон (Н).

Модуль силы Лоренца численно равен отношению модуля силы F, действующий на участок проводника длиной l, к числу N заряженных частиц, упорядоченно движущихся на этом участке проводника:

FЛ=FN.

Рассмотрим отрезок тонкого прямого проводника с током. Пусть длина отрезка ∆l и площадь поперечного сечения проводника S настолько малы, что вектор индукции магнитного поля →B можно считать неизменным в пределах этого отрезка проводника.

Сила тока I в проводнике связана с зарядом частиц q, концентрацией заряженных частиц (число зарядов в единице объема) и скоростью их упорядоченного движения v следующей формулой:

I=qnvS

Модуль силы, действующей со стороны магнитного поля на выбранные элемент тока, равен:

F=|I|ΔlBsin.α

Подставляя сюда выражение, полученное для силы тока, получим:

F=|qnvS|ΔlBsin.α=|q|nvSΔlBsin.α

Учтем, что число заряженных частиц в рассматриваемом объеме равно произведению величины этого объема на концентрацию самих частиц:

N=nSΔlB

Тогда:

F=|q|vNBsin.α

Следовательно, на каждый движущийся заряд действует сила Лоренца, равная:

FЛ=FN..=|q|vNBsin.αN..=|q|vBsin.α

α — угол между вектором скорости движущегося заряда и вектором магнитной индукции.

Пример №1. Определить силу, действующую на заряд 0,005 Кл, движущийся в магнитном поле с индукцией 0,3 Тл со скоростью 200 м/с под углом 45o к вектору магнитной индукции.

FЛ=|q|vBsin.α=0,005·200·0,3·√22..≈0,2 (Н)

Направление силы Лоренца

Сила Лоренца перпендикулярна вектору магнитной индукции и вектору скорости движущегося заряда. Ее направление определяется с помощью правила левой руки:

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

Пример №2. Протон p имеет скорость →v, направленную горизонтально вдоль прямого длинного проводника с током I (см. рисунок). Куда направлена действующая на протон сила Лоренца?

В точке, в которой находится протон, вектор магнитной индукции направлен в сторону от наблюдателя. Это следует из правила буравчика. Теперь применим правило левой руки. Для этого четыре пальца левой руки направим в сторону движения протона — вправо. Ладонь развернем в сторону наблюдателя, чтобы линии магнитной индукции входили в нее перпендикулярно. Теперь отставим на 90 градусов большой палец. Он показывает вверх. Следовательно, сила Лоренца, действующая на протон, направлена вверх.

Работа силы Лоренца

Поскольку вектор силы Лоренца направлен перпендикулярно скорости движения заряда, угол между перемещением этого заряда и этой силы равен 90о. Работа любой силы определяется формулой:

A=Fscos.α

Но так как косинус 90о равен 0, сила Лоренца не совершает работу. Это значит, что сила Лоренца не влияет на модуль скорости перемещения заряда. Но она может менять вектора его скорости.

Полная сила, действующая на заряд

При решении задач, в которых заряженная частица находится одновременно в электрическом и магнитном полях, нужно учитывать, что не нее действует сразу две силы. Со стороны магнитного поля — сила Лоренца. Со стороны электрического поля — сила →Fэл, действующая на неподвижный заряд, помещенный в данную точку поля. Она равна произведению этого заряда на напряженность электрического поля:

→Fэл=q→E

Следовательно, полная сила, действующая на заряд, равна:

→F=→Fэл+→Fл=q→E+|q|→v→Bsin.α

Пример №3. В пространстве, где существует одновременно однородное и постоянное электрическое и магнитное поля, по прямолинейной траектории движется протон. Известно, что напряженность электрического поля равна →E. Какова индукция →B магнитного поля?

Прямолинейное движение протона возможно в двух случаях:

  • Вектор →E направлен вдоль траектории движения протона. Тогда вектор →B также должен быть направлен вдоль этой траектории, и его модуль может быть любым, так как магнитное поле на частицу действовать не будет.
  • Векторы →E, →B и →v взаимно перпендикулярны, и сила, действующая на протон со стороны электрического поля, равна по модулю и противоположна по направлению силе Лоренца, действующей на протон со стороны магнитного поля (см. рисунок).

Заряд протона равен модулю заряда электрона — e. Сложим силы, действующие на протон по оси ОУ:

e→E+→FЛ=0

В скалярной форме:

eE−evB=0

Следовательно:

B=Ev..

Сила Ампера. Сила Лоренца. | Объединение учителей Санкт-Петербурга

Сила Ампера.

Действие магнитного поля на проводник с током

Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, называется 

силой Ампера.

 

Сила действия однородного маг­нитного поля на проводник с током прямо пропорциональна силе тока, длине проводника, модулю вектора индукции магнитного поля, синусу угла между вектором индукции магнитного поля и проводником:

F=B.I.. sin α — закон Ампера.

Направление силы Ампера (правило левой руки) Если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная составляющая вектора В входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы, действующей на проводник с током.

Действие магнитного поля на движущийся заряд.

Сила, действующая на заряженную движущуюся частицу в магнитном поле, называется силой Лоренца: 

Направление силы Лоренца (правило левой руки) Направление F определяется по правилу левой руки: вектор F перпендикулярен векторам В и v..

Правило левой руки сформулировано для положительной частицы. Сила, действующая на отрицательный заряд будет направлена в противоположную сторону по сравнению сположительным.

Если вектор v частицы перпендикулярен вектору В

, то частица описывает траекторию в виде окружности: 

Роль центростремительной силы играет сила Лоренца: 

При этом радиус окружности: ,

а период обращения 

 

не зависит от радиуса окружности!

Если вектор скорости и частицы не перпендикулярен В, то частица описывает траекторию в виде винтовой линии (спирали).

Действие магнитного поля на

Сила Лоренца. | План-конспект урока по физике:

Сила Лоренца.

Цели урока:

Ввести понятие силы Лоренца и создать условия для понимания учащимися её физической сущности.

Ход урока

I.        Организационный момент

II.        Актуализация знаний

—        Что такое электромагнитное поле?

—        Какие величины определяют состояние электромагнитного поля?

—        Какая сила называется электрической?

—        Какая сила называется магнитной?

—        Что такое пробный заряд?

—        Как определяется электрическая напряженность?

—        Что называется магнитной индукцией?

—        Как описывается взаимодействие заряженных частиц на языке теории поля?

III.        Изучение нового материала

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

где q — заряд частицы;
V — скорость заряда; 
B — индукции магнитного поля;
a — угол между вектором скорости заряда и вектором магнитной индукции.


Направление силы Лоренца определяется по правилу левой руки:


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

IV.        Закрепление материала

—        Какую силу называют силой Лоренца?

—        Напишите формулу для определения силы, с которой магнитное поле действует на движение в теле заряда.

—        Как движется заряженная частица в однородном магнитном поле в случае, когда направление скорости перпендикулярно магнитной индукции?

V.        Решение задач

1.        В однородном магнитном поле, индукция которого равна 2 Тл, движется электрон со скоростью 105 м/с перпендикулярно линиям магнитной индукции. Вычислите силу, действующую на электрон.

(Ответ: F = 3,2·1014 Н).

Дано:                        Решение

B = 2 Тл                        F = ʋ·q·B

ʋ= 105 м/с                        F= 105·1,6 10-19 2 = 3,2·10-14 Н

q = 1,6 10-19 Кл

β= 90º

F — ?                                                Ответ: F = 3,2·10-14 Н

Домашнее задание

§6, с. 17 -20, отвечать на вопросы .

Сила Лоренца — Студопедия

Действие магнитного поля на движущийся заряд

— сила, действующая со стороны магнитного поля на движущуюся электрически заряженную частицу.

где q — заряд частицы;

V — скорость заряда;

B — индукции магнитного поля;

a — угол между вектором скорости заряда и вектором магнитной индукции.


Направление силы Лоренца определяется

по правилу левой руки:

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


.

Так как сила Лоренца всегда перпендикулярна скорости заряда, то она не совершает работы (т.е. не изменяет величину скорости заряда и его кинетическую энергию).

Если заряженная частица движется параллельно силовым линиям магнитного поля, то Fл = 0 , и заряд в магнитном поле движетсяравномерно и прямолинейно.

Если заряженная частица движется перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, то сила Лоренца является центростремительной:


и создает центростремительное ускорение равное:

В этом случае частица движется по окружности.


.

Согласно второму закону Ньютона: сила Лоренца равнв произведению массы частицы на центростремительное ускорение:

тогда радиус окружности:

а период обращения заряда в магнитном поле:

Так как электрический ток представляет собой упорядоченное движение зарядов, то действие магнитного поля на проводник с током есть результат его действия на отдельные движущиеся заряды. Если внести проводник с током в магнитное поле (фиг.96,а), то мы увидим, что в результате сложения магнитных полей магнита и проводника произойдет усиление результирующего магнитного поля с одной стороны проводника (на чертеже сверху) и ослабление магнитного поля с другой стороны проводника (на чертеже снизу). В результате действия двух магнитных полей произойдет искривление магнитных линий и они, стремясь сократиться, будут выталкивать проводник вниз (фиг. 96, б).

Направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, можно определить по «правилу левой руки». Если левую руку расположить в магнитном поле так, чтобы магнитные линии, выходящие из северного полюса, как бы входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца совпадали с направлением тока в проводнике, то большой отогнутый палец руки покажет направление действия силы. Сила Ампера , действующая на элемент длины проводника, зависит: от величины магнитной индукции В, величины тока в проводнике I, от элемента длины проводника и от синуса угла а между направлением элемента длины проводника и направлением магнитного поля.


Эта зависимость может быть выражена формулой:

Для прямолинейного проводника конечной длины, помещенного перпендикулярно к направлению равномерного магнитного поля, сила, действующая на проводник, будет равна:

Из последней формулы определим размерность магнитной индукции.

Так как размерность силы:

т. е. размерность индукции такая же, какая была получена нами из закона Био и Савара.

Тесла (единица магнитной индукции)

Тесла, единица магнитной индукции Международной системы единиц, равная магнитной индукции, при которой магнитный поток сквозь поперечное сечение площадью 1 м2 равен 1 веберу. Названа по имени Н. Тесла. Обозначения: русское тл, международное Т. 1 тл = 104 гс(гаусс).

Магни?тный моме?нт, магни?тный дипо?льный моме?нт — основная величина, характеризующая магнитные свойства вещества. Магнитный момент измеряется в А⋅м2 или Дж/Тл (СИ), либо эрг/Гс (СГС), 1 эрг/Гс = 10-3 Дж/Тл. Специфической единицей элементарного магнитного момента является магнетон Бора. В случае плоского контура с электрическим током магнитный момент вычисляется как

,

где — сила тока в контуре, — площадь контура, — единичный вектор нормали к плоскости контура. Направление магнитного момента обычно находится по правилу буравчика: если вращать ручку буравчика в направлении тока, то направление магнитного момента будет совпадать с направлением поступательного движения буравчика.

Для произвольного замкнутого контура магнитный момент находится из:

,

где — радиус-вектор, проведенный из начала координат до элемента длины контура

В общем случае произвольного распределения токов в среде:

,

где — плотность тока в элементе объёма .

Итак, на контур с током в магнитном поле действует вращающий момент. Контур ориентируется в данной точке поля только одним способом. Примем положительное направление нормали за направление магнитного поля в данной точке. Вращающий момент прямо пропорционален величине тока I, площади контура S и синусу угла между направлением магнитного поля и нормали .

здесь Мвращающий момент, или момент силы, – магнитный момент контура (аналогично – электрический момент диполя).

В неоднородном поле ( ) формула справедлива, если размер контура достаточно мал (тогда в пределах контура поле можно считать приближенно однородным). Следовательно, контур с током по-прежнему стремится развернуться так, чтобы его магнитный момент был направлен вдоль линий вектора .

Но, кроме того, на контур действует результирующая сила (в случае однородного поля и . Эта сила действует на контур с током или на постоянный магнит с моментом и втягивает их в область более сильного магнитного поля.
Работа по перемещению контура с током в магнитном поле.

Нетрудно доказать, что работа по перемещению контура с током в магнитном поле равна , где и — магнитные потоки через площадь контура в конечном и начальном положениях. Эта формула справедлива, если ток в контуре постоянен, т.е. при перемещении контура не учитывается явление электромагнитной индукции.

Формула справедлива и для больших контуров в сильно неоднородном магнитном поле (при условии I=const).

Наконец, если контур с током не смещать, а изменять магнитное поле, т.е. изменять магнитный поток через поверхность, охватываемую контуром, от значения до то для этого надо совершить ту же работу . Эта работа называется работой изменения магнитного потока, связанного с контуром. Потоком вектора магнитной индукции (магнитным потоком) через площадку dS называется скалярная физическая величина, которая равна

(1)

где Bn=Вcosα — проекция вектора В на направление нормали к площадке dS (α — угол между векторами n и В), d= dSn — вектор, у которого модуль равен dS, а направление его совпадает с направлением нормали n к площадке. Поток вектора В может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от знака cosα (задается выбором положительного направления нормали n). Поток вектора В обычно связывают с контуром, по которому течет ток. В этом случае положительное направление нормали к контуру нами задавалось: оно связывается с током правилом правого винта. Значит, магнитный поток, который создается контуром, через поверхность, ограниченную им самим, всегда положителен.

Поток вектора магнитной индукции ФB через произвольную заданную поверхность S равен

(2)

Для однородного поля и плоской поверхности, которая расположена перпендикулярно вектору В, Bn=B=const и

Из этой формулы задается единица магнитного потока вебер (Вб): 1 Вб — магнитный поток, который проходит сквозь плоскую поверхность площадью 1 м2, который расположен перпендикулярно однородному магнитному полю и индукция которого равна 1 Тл (1 Вб=1 Тл•м2).

Теорема Гаусса для поля В: поток вектора магнитной индукции сквозь любую замкнутую поверхность равен нулю:

(3)

Эта теорема является отражением факта, что магнитные заряды отсутствуют, вследствие чего линии магнитной индукции не имеют ни начала, ни конца и являются замкнутыми.

Следовательно, для потоков векторов В и Е сквозь замкнутую поверхность в вихревом и потенциальном полях получаются различные формулы.

В качестве примера найдем поток вектора В сквозь соленоид. Магнитная индукция однородного поля внутри соленоида с сердечником с магнитной проницаемостью μ, равна

Магнитный поток сквозь один виток соленоида площадью S равен

а полный магнитный поток, который сцеплен со всеми витками соленоида и называемый потокосцеплением,

сила Лоренца | Уравнение, свойства и направление

Сила Лоренца , сила, действующая на заряженную частицу q , движущуюся со скоростью v через электрическое поле E и магнитное поле B . Полная электромагнитная сила F , действующая на заряженную частицу, называется силой Лоренца (в честь голландского физика Хендрика А. Лоренца) и дается формулой F = q E + q v × B .

Первый член вносится электрическим полем. Второй член представляет собой магнитную силу и имеет направление, перпендикулярное как скорости, так и магнитному полю. Магнитная сила пропорциональна q и величине векторного произведения v × B . Что касается угла ϕ между v и B , величина силы равна q v B sin ϕ.Интересный результат силы Лоренца — движение заряженной частицы в однородном магнитном поле. Если v перпендикулярно B (т.е. с углом ϕ между v и B , равным 90 °), частица будет следовать по круговой траектории с радиусом r = м v / q B . Если угол ϕ меньше 90 °, орбита частицы будет представлять собой спираль с осью, параллельной силовым линиям.Если ϕ равно нулю, на частицу не будет действовать магнитная сила, которая продолжит двигаться, не отклоняясь, вдоль силовых линий. Ускорители заряженных частиц, такие как циклотроны, используют тот факт, что частицы движутся по круговой орбите, когда v и B находятся под прямым углом. За каждый оборот тщательно рассчитанное по времени электрическое поле дает частицам дополнительную кинетическую энергию, что заставляет их двигаться по все более большим орбитам. Когда частицы приобрели желаемую энергию, они извлекаются и используются различными способами, от исследования субатомных частиц до лечения рака.

Магнитная сила, действующая на движущийся заряд, показывает знак носителей заряда в проводнике. Ток, протекающий по проводнику справа налево, может быть результатом движения носителей положительного заряда справа налево или движения отрицательных зарядов слева направо или некоторой их комбинации. Когда проводник помещается в поле B , перпендикулярное току, магнитная сила на обоих типах носителей заряда имеет одинаковое направление. Эта сила вызывает небольшую разность потенциалов между сторонами проводника.Это явление, известное как эффект Холла (обнаруженное американским физиком Эдвином Х. Холлом), возникает, когда электрическое поле совмещается с направлением магнитной силы. Эффект Холла показывает, что электроны определяют проводимость электричества в меди. В цинке же в проводимости преобладает движение носителей положительного заряда. Электроны в цинке, которые возбуждаются из валентной зоны, покидают дырки, которые представляют собой вакансии (т.е. незаполненные уровни), которые ведут себя как носители положительного заряда.Движение этих отверстий составляет большую часть проводимости электричества в цинке.

Если провод с током i поместить во внешнее магнитное поле B , как сила, действующая на провод, будет зависеть от ориентации провода? Поскольку ток представляет собой движение зарядов в проводе, сила Лоренца действует на движущиеся заряды. Поскольку эти заряды связаны с проводником, магнитные силы движущихся зарядов передаются на провод.Усилие на небольшой длине d l проволоки зависит от ориентации проволоки по отношению к полю. Величина силы определяется как i d lB sin ϕ, где ϕ — угол между B и d l . Когда ϕ = 0 или 180 °, сила отсутствует, и то и другое соответствует току в направлении, параллельном полю. Сила максимальна, когда ток и поле перпендикулярны друг другу.Усилие равно d F = i d l × B .

Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 с вашей подпиской. Подпишитесь сегодня

Опять же, векторное произведение обозначает направление, перпендикулярное как d l , так и B .

The Editors of Encyclopaedia Britannica Эта статья была недавно отредактирована и обновлена ​​старшим редактором Эриком Грегерсеном.

Узнайте больше в этих связанных статьях Britannica:

Магнитная и электрическая сила на точечном заряде

Введение

Прежде чем мы начнем анализ того, что такое сила Лоренца и ее приложения, мы должны знать термины, знакомые с этой концепцией, такие как магнетизм, электричество, скорость и так далее. Сила Лоренца была введена Хендриком Антуном Лоренцем в 1895 году.

В электрическом поле заряженная частица всегда будет испытывать силу из-за этого поля.Однако заряженные частицы в магнитном поле будут чувствовать силу, обусловленную магнитным полем, только если они движутся относительно этого поля. Эти два эффекта часто создают силу, которую мы называем силой Лоренца.

Что такое сила Лоренца?

Сила Лоренца может быть определена как комбинированное воздействие магнитной силы, а также электрической силы на точечный заряд из-за существования электромагнитного поля. Эта Сила широко применяется в электромагнетизме. Это также можно назвать электромагнитной силой.

Что такое закон Лоренца?

Когда заряженная частица q движется со скоростью v через область пространства, оба поля будут оказывать на частицу силу, а общую силу — на частицу. Это равно векторной сумме электрического поля и силы магнитного поля.

Сила Лоренца объясняется в соответствии с приведенным ниже уравнением,

F = q (E + vB)

Где,

F = Сила, возникающая на частице

q = Заряд на частице

E = Электрическое поле приложенное к частице извне

v = скорость

B = доступное магнитное поле

Что такое магнитная сила Лоренца?

Заряженная частица, которая движется во внутреннем магнитном поле с определенной скоростью, будет нести электромагнитную силу.Эта сила называется магнитной силой Лоренца (Fm).

Магнитная сила действует только тогда, когда заряженная частица находится в движении.

Таким образом, формула, созданная для магнитного поля в скалярной форме, следующая:

Fm = qv.Bsinθ

(изображение будет скоро загружено)

В векторной форме,

Fm = Q (vx B)

Магнитный Поле, создаваемое движущимся зарядом

Магнитная сила всегда перпендикулярна скорости, поэтому с заряженной частицей не происходит никакой работы.Следовательно, кинетическая энергия и скорость частицы останутся постоянными. Здесь влияет направление движения, но не скорость. Обычно это равномерное круговое движение. Самый простой случай возникает, когда движущаяся заряженная частица образует угол 900 с магнитным полем.

Нам нужно использовать правило большого пальца правой руки, чтобы определить направление магнитного поля. Если по проводнику течет ток, то большой палец правой руки указывает в направлении тока, а согнутые пальцы показывают направление магнитного поля.

(изображение будет загружено в ближайшее время)

(изображение будет загружено в ближайшее время)

На рис. Выше

Когда заряженная частица обладает отрицательным зарядом, который перемещается через плоскость магнитного поля, создаст магнитную силу, действующую перпендикулярно скорости, и поэтому скорость колеблется по направлению, но не меняет величину. Так вступает в действие равномерное спиральное движение.

Как показано на рисунке выше, выражение можно записать как:

B = μ0 / 4π (qv.r) / r3

Где,

B = Магнитное поле

q = Электрический заряд

v = Скорость

r = Положение вектора

μ0 = Магнитная постоянная

Сила, создаваемая магнитным полем

In В случае магнитных полей линии генерируются на Северном полюсе (+) и заканчиваются на Южном полюсе (-) — как показано на рисунке ниже.Изгиб магнитного поля, создаваемого обычным магнитом, всегда положительный. Частицы, обладающие зарядом, будут рассматриваться как спиральные поля. Он всегда будет перпендикулярен силовым линиям, пока частицы не наберут некоторую скорость.

Применяя правило большого пальца правой руки, сила, которую Лоренц идентифицировал в магнитном поле B заряженной частицы Q со скоростью v, действует перпендикулярно заряду, как показано на рисунке.

Уравнение силы, создаваемой магнитным полем:

FB = Q (v x B)

(изображение будет скоро загружено)

Что такое сила, обусловленная электрическим полем?

Как показано на Рис.6, Сила, действующая на заряд, не зависит от скорости, а только от электрического поля. Таким образом, сила будет приложена в направлении электрического поля (Fe).

Поле, создаваемое электрическим током, генерируется положительным зарядом, который образует равномерно расположенную спиральную линию, действующую наружу. В случае отрицательного заряда направление поля меняется на противоположное. Электрическое поле направлено по касательной к силовым линиям.

(изображение будет скоро загружено)

Размерный фактор электрического поля — сила на единицу заряда.В системах метр-килограмм-секунда и системе СИ соответствующие единицы — ньютоны на кулон, что эквивалентно вольтам на метр. Электрическое поле выражается в единицах дин на электростатическую единицу (esu) и эквивалентно стат-вольтам на сантиметр.

Fe — продукт заряда и электрического поля.

Математически это может быть представлено как:

Fe = Q x E

(изображение будет скоро загружено)

Эффект электрического поля основан на заряженной частице.Если заряд положительный, электрическое поле будет направлено в сторону от частицы и наоборот.

Что такое сила Лоренца?

21 августа 2018 г. Автор: Team YoungWonks *

Что такое сила Лоренца?

Сила Лоренца — это сила, которую магнитное поле оказывает на движущийся электрический заряд. Таким образом, это комбинация электрической и магнитной силы на точечный заряд, вызванной электромагнитными полями.Частица с зарядом q, движущаяся со скоростью v в присутствии электрического поля E и магнитного поля B, испытывает силу, называемую силой Лоренца, и ее можно рассчитать как:

F = qE + qv x B

Назван в честь голландского физика Хендрика Антуна Лоренца, который вывел его в 1895 году.

Как работает сила Лоренца?

Чтобы понять, как действует Lorentz Force, давайте посмотрим на следующий пример:

В этом эксперименте два магнитных конца создают магнитное поле, и результирующее магнитное притяжение распространяется с севера на юг (вверх), как показано выше.

Теперь также есть провод, проходящий через это магнитное поле, и когда этот провод подключен к источнику питания (в данном примере батарея), электрическая цепь замыкается, и электрический ток течет по проводу. Ток также будет проходить через часть провода между двумя магнитными концами; здесь ток будет течь по пути, перпендикулярному магнитному полю.

Это когда в игру вступает сила Лоренца, сила, оказываемая магнитным полем на движущийся электрический заряд.Таким образом, эта сила будет толкать провод.

Правило правой руки

Уловка для предсказания направления силы Лоренца — это Правило правой руки.

Таким образом, нужно помнить, что большой палец правой руки, направленный вверх, обозначает магнитное притяжение, в то время как указательный палец правой руки, направленный влево, обозначает электрический ток, а высокий палец, направленный наружу, обозначает силу Лоренца.

Применение силы Лоренца

Сила Лоренца используется во многих устройствах; Это в основном так, потому что, как показано выше, комбинация электрической и магнитной сил на точечный заряд фактически создает механическую силу. Таким образом, сила Лоренца обычно используется в таких устройствах, как электродвигатели, громкоговорители с линейными двигателями и электрические генераторы.

Вы можете найти ниже видео на Lorentz Force:

* Авторы: Автор Видья Прабху; Фотографии / анимация Леонеля Круза

Что такое сильная сила?

Сильное ядерное взаимодействие — одна из четырех фундаментальных сил в природе; остальные три — это гравитация, электромагнетизм и слабое взаимодействие.Как следует из названия, сильная сила — это сильнейшая сила из четырех. Он отвечает за связывание основных частиц материи с образованием более крупных частиц.

Стандартная модель

Основная теория физики элементарных частиц — это Стандартная модель, которая описывает основные строительные блоки материи и то, как они взаимодействуют. Теория была разработана в начале 1970-х годов; Со временем и благодаря многочисленным экспериментам эта теория стала хорошо проверенной физической теорией, согласно ЦЕРНу, Европейской организации ядерных исследований.

Согласно Стандартной модели, одна из самых маленьких и наиболее фундаментальных частиц, то есть та, которую нельзя разделить на более мелкие части, — это кварк. Эти частицы являются строительными блоками класса массивных частиц, известных как адроны, который включает протоны и нейтроны. Ученые не обнаружили никаких признаков того, что существует что-то меньшее, чем кварк, но они все еще ищут.

Сильное взаимодействие было впервые предложено для объяснения того, почему атомные ядра не разлетаются. Казалось, что они будут делать это из-за отталкивающей электромагнитной силы между положительно заряженными протонами, расположенными в ядре.Позже было обнаружено, что сильное взаимодействие не только удерживает ядра вместе, но также отвечает за связывание кварков, из которых состоят адроны.

«Сильные силовые взаимодействия важны для… удержания адронов вместе», согласно «Четырем силам», материалу курса физики из Университета Дьюка. «Фундаментальное сильное взаимодействие удерживает вместе составляющие кварки адрона, а остаточная сила удерживает адроны вместе друг с другом, такие как протон и нейтроны в ядре.«

Кварки и адроны

Кварки были теоретизированы в 1964 году независимо физиками Мюрреем Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом, а частицы были впервые обнаружены в Стэнфордской национальной лаборатории линейных ускорителей в 1968 году. произошло из стихотворения в романе Джеймса Джойса «Пробуждение по Финнегану»:

«Три кварка для Мустера Марка! Конечно, у него не так уж много лая, И конечно, у него есть все, что нужно. «

» Эксперименты на ускорителях частиц в 50-х и 60-х годах показали, что протоны и нейтроны являются просто представителями большого семейства частиц, которые теперь называются адронами.На данный момент обнаружено более 100 (а теперь более 200) адронов, иногда называемых «адронным зоопарком» », — согласно Богдану Пов и др. В их книге« Частицы и ядра: введение в физические концепции ». (Springer, 2008).

Ученые подробно описали способы, которыми кварки составляют эти адронные частицы. «Есть два типа адронов: барионы и мезоны», — пишет Лена Хансен в статье «Сила цвета», опубликованной в Интернете Дюком. Университет. «Каждый барион состоит из трех кварков, и каждый мезон состоит из кварка и антикварка», где антикварк является антивещественным аналогом кварка, имеющего противоположный электрический заряд.Барионы — это класс частиц, состоящий из протонов и нейтронов. Мезоны — это короткоживущие частицы, образующиеся в ускорителях крупных частиц и при взаимодействии с космическими лучами высоких энергий.

Свойства кварка: аромат и цвет

Кварки бывают шести разновидностей, которые физики называют «ароматизаторами». В порядке увеличения массы они называются «вверх», «вниз», «странно», «очарование», «низ» и «верх». Верхние и нижние кварки стабильны и составляют протоны и нейтроны. Например, протон состоит из двух верхних кварков и нижнего кварка и обозначается как (uud).

Другие, более массивные ароматизаторы образуются только при высокоэнергетических взаимодействиях и имеют чрезвычайно короткие периоды полураспада. Обычно они наблюдаются в мезонах, которые могут содержать различные комбинации ароматов в виде кварк-антикварковых пар. Последний из них, топ-кварк, был предложен в 1973 году Макото Кобаяси и Тошихиде Маскава, но не наблюдался до 1995 года в эксперименте на ускорителе в Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Фермилаб). Кобаяси и Маскава были удостоены Нобелевской премии по физике 2008 года за свои предсказания.

Кварки обладают еще одним свойством, также с шестью проявлениями. Это свойство было обозначено как «цвет», но его не следует путать с общим пониманием цвета. Шесть проявлений называются красным, синим, зеленым, анти-красным, антисиним и антизеленым. Антицветы, соответственно, относятся к антикваркам. Цветовые свойства объясняют, как кварки могут подчиняться принципу исключения Паули, который гласит, что никакие два идентичных объекта не могут занимать одно и то же место, сказал Хансен. То есть кварки, составляющие один и тот же адрон, должны иметь разные цвета.Таким образом, все три кварка в барионе имеют разный цвет, а мезон должен содержать цветной кварк и антикварк соответствующего антицвета.

Глюоны

Сильная сила возникает в результате обмена частицами-носителями силы, называемыми бозонами. Частицы материи передают энергию, обмениваясь бозонами друг с другом. Сильное взаимодействие переносится типом бозона, называемым «глюон», названным так потому, что эти частицы действуют как «клей», удерживающий вместе ядро ​​и составляющие его барионы.При притяжении между двумя кварками происходит странная вещь: сильное взаимодействие не уменьшается с увеличением расстояния между двумя частицами, как это происходит с электромагнитным взаимодействием; на самом деле он увеличивается, больше похоже на растяжение механической пружины.

Как и в случае с механической пружиной, существует ограничение на расстояние, на которое два кварка могут быть отделены друг от друга, которое составляет примерно диаметр протона. Когда этот предел достигается, огромная энергия, необходимая для достижения разделения, внезапно превращается в массу в форме кварк-антикварковой пары.Это преобразование энергии в массу происходит в соответствии с известным уравнением Эйнштейна, E = mc 2 , или в данном случае m = E / c 2 — где E — энергия, м — масса, а c — скорость света. Поскольку это преобразование происходит каждый раз, когда мы пытаемся отделить кварки друг от друга, свободные кварки не наблюдались и, как полагают, не существуют как отдельные частицы. В своей книге «Калибровочные теории сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий: второе издание» (Princeton University Press, 2013) Крис Квигг из Fermilab утверждает, что «окончательное наблюдение свободных кварков будет революционным.»

Стандартная модель — это набор теорий, которые описывают мельчайшие экспериментально наблюдаемые частицы материи и взаимодействия между энергией и материей. (Изображение предоставлено Карлом Тейтом, художником по инфографике LiveScience)

Остаточная сильная сила

Когда три кварка равны связанные вместе в протоне или нейтроне, сильное взаимодействие, создаваемое глюонами, в основном нейтрализуется, потому что почти все оно направлено на связывание кварков вместе. В результате сила ограничивается большей частью внутри частицы.Однако есть крошечная часть силы, которая действует вне протона или нейтрона. Эта часть силы может воздействовать на между протонами и нейтронами, или «нуклонами». По словам Константиноса Г. Вайенаса и Стаматиоса Н.-А. Суенти в своей книге «Гравитация, специальная теория относительности и сильная сила» (Springer, 2012) «стало очевидным, что сила между нуклонами является результатом или побочным эффектом более сильной и фундаментальной силы, которая связывает кварки в протонах. и нейтроны.«Этот« побочный эффект »называется« остаточная сильная сила »или« ядерная сила », и это то, что удерживает атомные ядра вместе, несмотря на отталкивающую электромагнитную силу между положительно заряженными протонами, которая толкает их друг к другу.

Однако, в отличие от сильного взаимодействия, остаточная сильная сила быстро спадает на малых расстояниях и имеет значение только между соседними частицами внутри ядра. Однако отталкивающая электромагнитная сила спадает медленнее, поэтому действует на все ядро.Следовательно, в тяжелых ядрах, особенно с атомными номерами больше 82 (свинец), в то время как ядерная сила, действующая на частицу, остается почти постоянной, общая электромагнитная сила, действующая на эту частицу, увеличивается с атомным номером до такой степени, что в конечном итоге она может толкнуть ядро. отдельно. Как говорится на веб-странице Национальной лаборатории Лоуренса-Беркли «Азбука ядерной науки», «Деление можно рассматривать как« перетягивание каната »между сильной ядерной силой притяжения и электростатической силой отталкивания.В реакциях деления преобладает электростатическое отталкивание ».

Энергия, которая высвобождается при разрыве остаточной сильной силовой связи, принимает форму высокоскоростных частиц и гамма-лучей, производящих то, что мы называем радиоактивностью. Столкновения с частицами при распаде близлежащих ядер может ускорить этот процесс, вызывая «цепную ядерную реакцию». Энергия от деления тяжелых ядер, таких как уран-235 и плутоний-239, используется в ядерных реакторах и атомных бомбах.

Ограничения стандартной модели

В дополнение ко всем известным и предсказанным субатомным частицам Стандартная модель включает в себя сильные и слабые силы и электромагнетизм, и объясняет, как эти силы действуют на частицы материи.Однако теория не включает гравитацию. Учет гравитационной силы в рамках модели ставил ученых в тупик на протяжении десятилетий. Но, согласно ЦЕРНу, в масштабе этих частиц влияние гравитации настолько незначительно, что модель работает хорошо, несмотря на исключение этой фундаментальной силы.

Дополнительные ресурсы

Сила Лоренца — точка назначения

Сила Лоренца

Определение

Сила Лоренца — это закон физики, в частности, электромагнетизма, который описывает силовое взаимодействие между магнитными полями двух заряженных частиц.Он был назван в честь Хендрика Лоренца, голландского физика 1800-х годов, который проявлял большой интерес к науке об электромагнетизме. Частица заряда q, движущаяся со скоростью v в присутствии электрического поля E и магнитного поля B, испытывает силу

F = qE + qv × B

Где, B — сила магнитное поле, E — электрическое поле, q — заряд частицы, а v — скорость частицы. В качестве единицы измерения он выражается в «Ньютонах».Согласно этому уравнению, если частица с зарядом q движется со скоростью v в присутствии электрического поля E и магнитного поля B, то на нее будет действовать реактивная сила. Эта реактивная сила известна как сила Лоренца.

Все заряженные частицы сталкиваются с силой электрического поля, ориентированной в направлении поля или в противоположном направлении, в зависимости от знака заряда, в то время как движущиеся заряженные частицы также сталкиваются с силой, ориентированной под прямым углом к ​​обоим направление движения и магнитное поле.Сила Лоренца является движущей силой в электромагнитах и ​​отвечает за эффект Холла.

Уравнение силы Лоренца фактически было получено из знаменитого уравнения Максвелла. Существуют варианты этого основного уравнения силы Лоренца. Другие уравнения, которые можно найти в других учебниках, описывают магнитную силу на проводе с током, электродвижущую силу в проволочной петле, движущейся через магнитное поле, и силу на заряженной частице, которая может двигаться со скоростью, близкой к скорости света. .

Значение силы Лоренца

В то время как современные уравнения Максвелла описывают, как электрически заряженные частицы и токи или движущиеся заряженные частицы вызывают электрические и магнитные поля, закон силы Лоренца дополняет эту картину, описывая силу, действующую на движущийся точечный заряд q в присутствии электромагнитных полей. Закон силы Лоренца описывает действие E и B на точечный заряд. Заряженные частицы, возможно, связаны с другими силами, особенно с гравитацией и ядерными силами.Таким образом, уравнения Максвелла не стоят отдельно от других физических законов, но связаны с ними через плотность заряда и тока. Реакция точечного заряда на закон Лоренца — это один из аспектов; генерация E и B токами и зарядами — другое. Заряженные частицы в материальной среде не только реагируют на поля E и B, но и создают эти поля. Чтобы определить временную и пространственную реакцию зарядов, необходимо решить сложные уравнения переноса.

Уравнения силы Лоренца

Сила F, действующая на частицу электрического заряда q с мгновенной скоростью v из-за внешнего электрического поля E и магнитного поля B, определяется выражением:

F = q ( E + v × B)

Положительно заряженная частица будет ускоряться в той же линейной ориентации, что и поле E, но будет изгибаться перпендикулярно как вектору мгновенной скорости v, так и полю B, как показано справа. Правило руки, в деталях, если пальцы правой руки вытянуты так, чтобы указывать в направлении v, а затем согнуты так, чтобы указывать в направлении B, то вытянутый большой палец будет указывать в направлении F.

Термин qE называется электрической силой, а член qv × B — магнитной силой. Согласно некоторым определениям, термин «сила Лоренца» относится конкретно к формуле для магнитной силы, при этом общая электромагнитная сила (включая электрическую силу) имеет другое (нестандартное) название. В этой статье не будет следовать этой номенклатуре: в дальнейшем термин «сила Лоренца» будет относиться только к выражению для полной силы.

Для непрерывного распределения заряда в движении уравнение силы Лоренца принимает следующий вид:

dF = dq (E + v × B)

Где dF — сила, действующая на небольшой кусок распределение заряда с зарядом dq.Если обе части этого уравнения разделить на объем этого небольшого фрагмента распределения заряда dV, получится: f = ρ (E + v × B)

Где, f — плотность силы (сила на единицу объема), а ρ — плотность заряда (заряд на единицу объема).

Определение E и B (Закон силы Лоренца)

Закон силы Лоренца используется как определение электрического и магнитного полей E и B.В частности, под силой Лоренца понимается следующее эмпирическое утверждение:

Электромагнитная сила F на пробном заряде в заданный момент и время является определенной функцией его заряда q и скорости v, которая может быть точно параметризована два вектора E и B в функциональной форме: F = q (E + v × B)

Как определение E и B, сила Лоренца является только определением в принципе, потому что реальная частица будет генерировать свои собственные конечные поля E и B, которые изменят электромагнитную силу, которую он испытывает.Вдобавок, если заряд испытывает ускорение, как если бы его заставляли двигаться по кривой траектории каким-то внешним фактором, он испускает излучение, которое вызывает торможение его движения. См., Например, тормозное излучение и синхротронный свет.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.