Підручник Фізика 9 клас з поглибленим вивченням - Т М. Засєкіна - Оріон 2017 рік

Розділ 1 МАГНІТНІ ЯВИЩА

§ 10. ДІЯ МАГНІТНОГО ПОЛЯ НА РУХОМИЙ ЕЛЕКТРИЧНИЙ ЗАРЯД. СИЛА ЛОРЕНЦА

Ви дізнаєтесь

- Як магнітне поле діє на рухомий електричний заряд

Пригадайте

- Як магнітне поле діє на провідник зі струмом

Андре Марі Ампер (1775-1836) Французький фізик і математик

Дія магнітного поля на рухомий електричний заряд. Сила Лоренца. Як відомо, електричний струм — це потік електрично заряджених частинок. Тому дія магнітного поля на провідник зі струмом — це сумарний результат дії магнітного поля на окремі рухомі заряджені частинки, які цей струм утворюють.

Голландський учений Гендрік Лоренц пояснив існування сили Ампера тим, що магнітне поле діє на рухомі заряджені частинки в провіднику зі струмом. Оскільки ці частинки не можуть вирватися з провідника, то загальна сила, яка діє на них, прикладена до провідника. Таким чином, сила Ампера є сумою сил, що діють на вільні заряджені частинки в провіднику зі струмом.

Це припущення дозволяє визначити силу, що діє на одну рухому заряджену частинку в магнітному полі. Силу, з якою магнітне поле діє на рухому електрично заряджену частинку, називають силою Лоренца.

Сила Лоренца — це сила, що діє з боку магнітного поля на рухому заряджену частинку.

Гендрік Антон Лоренц (1853-1928) Голландський фізик. Лауреат Нобелівської премії 1902 р.

Одержимо вираз для визначення сили Лоренца з виразу для сили Ампера, підрахувавши кількість рухомих заряджених частинок у провіднику. Нехай N — загальна кількість вільних заряджених частинок у провіднику зі струмом. У металах такими частинками є електрони і, як відомо, I = neS, де е — заряд електрона, — модуль швидкості його руху, S — площа поперечного перерізу провідника, n — концентрація вільних електронів. Тоді

Враховуючи, що nV = N, отримуємо вираз для обчислення сили Лоренца FЛ = еВsin , тут — кут між векторами швидкості та індукції .

У загальному випадку (для довільних заряджених частинок) вираз для обчислення сили Лоренца має вигляд FЛ = qBsin , де q — електричний заряд частинки.

Мал. 68. Напрямок сили Лоренца

Сила Лоренца (як і сила Ампера) діє перпендикулярно до напрямку силових ліній. Тому заряджені частинки, улітаючи в магнітне поле перпендикулярно до його силових ліній, рухаються по колу (мал. 68, а, б). У випадку, якщо заряджена частинка рухається вздовж силових ліній, сила Лоренца не виникає (мал. 68, в).

Напрямок сили Лоренца (як і напрямок сили Ампера) визначають за правилом лівої руки. При цьому слід враховувати, що коли в магнітному полі рухається позитивно заряджена частинка, то чотири пальці треба спрямувати в бік її руху, якщо ж рухається негативно заряджена частинка, то витягнуті чотири пальці треба спрямувати проти вектору швидкості (мал. 69).

Якщо частинки влітають у магнітне поле під деяким (відмінним від 90°) кутом а, вони ніби нанизуватимуться на магнітні силові лінії й рухатимуться вздовж їх по спіралі (мал. 70).

Прояви та застосування сили Лоренца в природі й техніці. Під час вивчення магнітних явищ ви дізналися, що виникнення полярного сяйва пояснюється взаємодією між космічними електрично зарядженими частинками й магнітним полем Землі. Саме по спіралях рухаються космічні заряджені частинки в магнітному полі Землі (мал. 71). Унаслідок дії сили Лоренца абсолютна їх більшість до поверхні Землі не долітає. Лише незначна частина цих частинок нагромаджується поблизу магнітних полюсів Землі, гальмується, ударяючись об атоми й молекули газів, які складають атмосферу, й спричинює полярне сяйво.

Мал. 69. Визначення напрямку сили Лоренца

Мал. 70. Рух зарядженої частинки, що влітає в магнітне поле під кутом 0° < а < 90°

Сила Лоренца «працює» також в електронно-променевих трубках, електронних мікроскопах та безлічі інших приладів. Зокрема, дуже важливе значення для розвитку ядерної фізики та фізики елементарних частинок мають прискорювачі частинок. Так називають установки, в яких заряджені частинки розганяються магнітним полем до великих швидкостей, що наближаються за своїми значеннями до швидкості світла (а отже, і до великих енергій). Пучки заряджених частинок великих енергій потрібні для бомбардування атомних ядер з метою дослідження їх будови, розкриття природи ядерних сил, виявлення нових частинок, що народжуються в реакціях під час взаємодії частинок високих енергій між собою.

Існує багато типів прискорювачів.

Порівняно новим і сучасним є прискорювач на зустрічних пучках — колайдер (від англ. соllide — зіткнути) — це система з двох прискорювачів заряджених частинок, у якій два пучки спрямовуються назустріч один одному.

На малюнку 72 зображено колайдер Європейського центру ядерних досліджень, який розташовано поблизу м. Женева.

Мал. 71. Рух космічних заряджених частинок в магнітному полі Землі

Мал 72. Прискорювач частинок (колайдер)

ФОРМУЄМО СВОЮ КОМПЕТЕНТНІСТЬ

Я поміркую й зможу пояснити

1. Як пояснити виникнення сили Лоренца? За якою формулою її обчислюють?

2. Як пов’язані між собою сила Лоренца та сила Ампера?

3. Як будуть поводити себе заряджена й нейтральна частинки в магнітному полі, якщо вони влітають перпендикулярно до силових ліній? Поясніть.

4. За яким правилом визначають напрямок дії сили Лоренца? Чи однаково воно застосовується до позитивно й негативно заряджених частинок?

5. Де в природі й техніці проявляється та застосовується дія сили Лоренца?

Вчимося розв'язувати задачі

Задача. Визначте силу, що діє на частинку з боку магнітного поля індукцією 0,3 Тл, якщо електричний заряд частинки 0,005 Кл і влітає вона в магнітне поле зі швидкістю 200 під кутом 45°.

Розв’язання:

На заряджену частинку в магнітному полі діє сила Лоренца, модуль якої визначається за формулою FЛ = qBsin . Підставляємо числові значення:

FЛ = 0,005 Кл · 0,3 Тл · 200 · = 0,21 Н.

Відповідь: FЛ = 0,21 Н.

Я можу застосовувати знання й розв'язувати задачі





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити