Сила Лоренца

Силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля, называют силой Лоренца в честь великого голландского физика Х. Лоренца (1853 — 1928) — основателя электронной теории 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:

Рассмотрим отрезок тонкого прямого проводника с током. Пусть длина отрезка Δl и площадь поперечного сечения проводника S настолько малы, что вектор индукции магнитного поля можно считать одинаковым в пределах этого отрезка проводника. Сила тока I в проводнике связана с зарядом частиц q, концентрацией заряженных частиц (числом зарядов в единице объема) и скоростью их упорядоченного движения v следующей формулой:

I = qnvS ( 2 )

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

F = | I |B Δl sin α

Подставляя в эту формулу выражение ( 2 ) для силы тока, получаем:

F = | q | nvS Δl B sin α = v | q | NB sin α, где N = nSΔl — число заряженных частиц в рассматриваемом объеме. Следовательно, 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 магнитной индукции и скорости упорядоченного движения заряженных частиц. Ее направление определяется с помощью того же правила левой руки, что и направление силы Ампера.

Так как сила Лоренца перпендикулярна скорости частицы, то она не совершает работы. Согласно теореме о кинетической энергии это означает, что сила Лоренца не меняет кинетическую энергию частицы

и, следовательно, модуль ее скорости. Под действием силы Лоренца меняется лишь направление скорости частицы.

---

Другие заметки по физике

§ 4 учебника К.Ю. Богданова для 11 класса

§ 4. Действие магнитного поля на движущуюся заряженную частицу. Сила лоренца

На заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, действует сила Лоренца, равная произведению его индукции, заряда частицы, ее скорости и синуса угла между направлением скорости и вектором индукции.

Электрический ток представляет собой упорядоченное направленное движение заряженных частиц. Поэтому действие магнитного поля на проводник с током (сила Ампера) является результатом того, что это поле действует на движущиеся внутри проводника заряженные частицы. Силу, действующую на заряженную частицу в магнитном поле, называют силой Лоренца в честь голландского физика Х. Лоренца

.

Найдём направление и модуль силы Лоренца F_Л с помощью закона Ампера (3.1). Пусть на прямолинейный участок проводника длиной L при силе тока в нем I, находящийся в однородном магнитном поле с индукцией В (рис.4а), действует сила Ампера F_А. Если N – число заряженных частиц, упорядоченно движущихся на этом участке проводника, то, очевидно, что сила Лоренца, F_Л равна: 

 

Найдём N, исходя из того, что сила тока I равна произведению заряда частицы q, их концентрации n, скорости их упорядоченного движения v и площади поперечного сечения проводника S:

 I = qnvS.                                      (4.2)

Так как

 , то из (4.2) получаем следующее выражение для N:

подставляя которое в (4.1) и учитывая формулу (3.1), получим формулу для F_Л:

 Если заряд положительный, то для определения направления силы Лоренца можно пользоваться правилом левой руки (рис. 4б). На движущуюся отрицательно заряженную частицу сила Лоренца действует в противоположном направлении. Сила Лоренца не совершает работы, так как её вектор перпендикулярен вектору скорости движения частицы.

Сила Лоренца используется в электронно-лучевых трубках (ЭЛТ) телевизоров и мониторов, где магнитное поле позволяет отклонять электроны, летящие к экрану ЭЛТ. 

Заряженная частица, влетая в однородном магнитном поле, направленное перпендикулярно вектору ее скорости, начинает равномерно двигаться по окружности радиуса r, а сила Лоренца в этом случае является центростремительной силой (рис.

4в). Радиус окружности движения частиц в магнитном поле можно узнать из соотношения:

где m – масса заряженной частицы. Как следует из (4.5), r зависит от массы частицы, и это используется в масс-спектрометрах – устройствах, где анализ движения заряженных частиц в магнитном поле позволяет измерять их массы. Частицы разных знаков, влетая в магнитное поле, поворачивают в разные стороны, что даёт возможность определить знак заряда частиц.

Если заряженная частица движется в магнитном поле так, что вектор скорости v составляет с вектором магнитной индукции B угол , то траекторией движения частицы является винтовая линия (рис. 4г). Поэтому заряженная частица, влетая в магнитное поле, продолжает свое движение вдоль линий индукции этого поля. Таким же образом магнитное поле Земли защищает нас и всё живое от потоков заряженных частиц космического пространства.

 

    Вопросы для повторения:

·        Как найти направление и модуль силы Лоренца?

·        Как действует сила Лоренца на модуль скорости заряженной частицы?

·        Опишите движение заряженной частицы в однородном магнитном поле, если её начальная скорость перпендикулярна линиям магнитной индукции.

 

Рис. 4. (а) – к вычислению силы Лоренца; (б) – определение направления силы Лоренца с помощью правила левой руки; движение по окружности (в) и винтовой линии (г) заряженной частицы в магнитном поле.

ГБПОУ РК “Симферопольский колледж сферы обслуживания и дизайна”

Вся подробная информация по вопросам поступления в колледж и работе приемной комиссии находится во вкладке Абитуриенту и Приемная комиссия

ГБПОУ РК «Симферопольский колледж сферы обслуживания и дизайна» осуществляет прием документов в очном и электронном виде по адресу: 295015, Республика Крым,
г. Симферополь,ул. Севастопольская, 54. E-mail: priemnayascsoid@mail.ru
Дни открытых дверей онлайн

«Горячая линия» по вопросам получения профессионального образования и профессионального обучения лиц с инвалидностью и лиц с ОВЗ, а также их последующего трудоустройства в Республике Крым, деятельности БПО

Просмотреть…

В Симферопольском колледже сферы обслуживания и дизайна успешно завершена приемная кампания на 2021-2022 учебный год. Второй год приемная комиссия работает в режиме повышенных санитарно- эпидемических мер из-за распространения короновирусной инфекции. Поэтому абитуриенты имели возможность подавать документы как дистанционно, так и в очном формате. В приемную комиссию поступило более 850 заявлений по всем направлениям подготовки.

Читать дальше…

Второй день, 27 августа 2021 года ГБПОУ РК «Симферопольский колледж сферы обслуживания и дизайна» примает участие в Военно – техническом форуме «Армия 2021»

Читать дальше…

26 августа 2021 года ГБПОУ РК «Симферопольский колледж сферы обслуживания и дизайна» принял участие в Военно – техническом форуме «Армия 2021»

Читать дальше…

Абитуриенты, поступающие на специальность Технология парикмахерского искусства.
1. Последний день приема документов 10.08.2021г
2. Консультация по подготовке к вступительным испытаниям проводится 11.08.2021г.

в 9.00 по адресу : г Симферополь ул, Севастопольская 54.

Просмотреть сведения…

30 июня в ГБПОУ РК «Симферопольский колледж сферы обслуживания и дизайна» прошел выпускной

9 июня в колледже «Сервиса и дизайна» была проведена встреча с молодёжью на тему «Семейные ценности». Поговорили о выборе спутника жизни, что бы фундамент семьи был крепким, и о тех подводных камнях в семейной жизни с которыми сталкиваются все семейные пары, как все пережить и сохранить семью.

Читать дальше…

17 июня 2021 года начался Демонстрационный экзамен по стандартам Ворлдскиллс, который является формой государственной итоговой аттестации выпускников по программам среднего профессионального образования по профессиям 43.

01.09 Повар, кондитер и 29.01.05 Закройщик.
Демонстрационный экзамен по стандартам Ворлдскиллс Россия проводится с целью определения у обучающихся и выпускников уровня знаний, умений и навыков, позволяющих вести профессиональную деятельность в определенной сфере и (или) выполнять работу по конкретной профессии или специальности в соответствии со стандартами Ворлдскиллс Россия.

29.01.05 Закройщик

Администрация ГБПОУ РК «Симферопольский колледж сферы обслуживания и дизайна» поздравляет сотрудников, педагогический коллектив и обучающихся с праздником День России!

#участвуем
80- летние начала Великой отечественной войны
В рамках ежегодной акции “Красная гвоздика” Благотворительный фонд “ПАМЯТЬ ПОКОЛЕНИЙ” приготовил увлекательный квиз. Разгадай его сейчас и узнай новые и необычные факты о героях Великой Отечественной войны!
https://vk.com/wall-96665902_3534

01 июня 2021 года, во всемирный День защиты детей, волонтеры ГБПОУ РК «Симферопольский колледж сферы обслуживания и дизайна» приняли участие в сопровождении детей с особыми возможностями здоровья «Преград нет!» в Республике Крым. Спасибо волонтерам за работу!!!

Читать дальше…

Борьба с табачной зависимостью объединила много стран, и теперь каждый год 31 мая проходит Всемирный день без табака. Инициатором события стала Всемирная Организацией Здравоохранения (ВОЗ), которая активно борется с никотиновой зависимостью курящих людей. 31 мая 2021 года в колледже был проведен цикл мероприятий по данной теме: классные часы, беседы, акции .

Читать дальше…

Что называется силой лоренца. Формула силы лоренца

Раскройте ладонь левой руки и выпрямите все пальцы. Большой палец отогните под углом в 90 градусов по отношению ко всем остальным пальцам, в одной плоскости с ладонью.

Представьте, что четыре пальца ладони, которые вы держите вместе, указывают направление скорости движения заряда, если он положительный, или противоположное скорости направление, если заряд отрицательный.

Вектор магнитной индукции, который всегда направлен перпендикулярно скорости, будет, таким образом, входить в ладонь. Теперь посмотрите, куда указывает большой палец – это и есть направление силы Лоренца.

Сила Лоренца может быть равна нулю и не иметь векторной составляющей. Это происходит в том случае, когда траектория заряженной частицы расположена параллельно силовым линиям магнитного поля. В таком случае частица имеет прямолинейную траекторию движения и постоянную скорость. Сила Лоренца никак не влияет на движение частицы, потому что в этом случае она вообще отсутствует.

В самом простом случае заряженная частица имеет траекторию движения, перпендикулярную силовым линиям магнитного поля. Тогда сила Лоренца создает центростремительное ускорение, вынуждая заряженную частицу двигаться по окружности.

Обратите внимание

Сила Лоренца была открыта в 1892 году Хендриком Лоренцом, физиком из Голландии. Сегодня она достаточно часто применяется в различных электроприборах, действие которых зависит от траектории движущихся электронов. Например, это электронно-лучевые трубки в телевизорах и мониторах. Всевозможные ускорители, разгоняющие заряженные частицы до огромных скоростей, посредством силы Лоренца задают орбиты их движения.

Полезный совет

Частным случаем силы Лоренца является сила Ампера. Ее направление вычисляют по правилу левой руки.

Источники:

• Сила Лоренца
• сила лоренца правило левой руки

Действие магнитного поля на проводник с током означает, что магнитное поле влияет на движущиеся электрические заряды. Силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля, называют силой Лоренца в честь голландского физика Х. Лоренца

Инструкция

Сила – , значит можно определить ее числовое значение (модуль) и направление (вектор).

Модуль силы Лоренца (Fл)равен отношению модуля силы F, действующей на участок проводника с током длиной ∆l, к числу N заряженных частиц, упорядоченно движущихся на этом участке проводника: Fл = F/N ( 1). Вследствие, несложных физических преобразований, силу F можно представить в виде: F= q*n*v*S*l*B*sina (формула 2), где q – заряд движущейся , n – на участке проводника, v – скорость частицы, S –площадь поперечного сечения участка проводника, l –длина участка проводника, B – магнитная индукция, sina – синус угла между векторами скорости и индукции. А количество движущихся частиц преобразовать до вида: N=n*S*l (формула 3). Подставьте формулы 2 и 3 в формулу 1, сократите величины n, S, l, получается для силы Лоренца: Fл = q*v*B*sin a. Значит, для решения простых задач на нахождение силы Лоренца, определите в условии задания следующие физические величины: заряд движущейся частицы, ее скорость, индукцию магнитного поля, в которой частица движется, и угол между скоростью и индукцией. (12).

Направление силы Лоренца определяется правилом левой руки. Для его применения представьте следующее взаиморасположение трех перпендикулярных друг другу векторов. Расположите левую руку так, чтобы вектор магнитной индукции входил в ладонь, четыре пальца были направлены в сторону движения положительной (против движения отрицательной) частицы, тогда отогнутый на 90 градусов большой палец укажет направление силы Лоренца см рисунок).
Применяется сила Лоренца в телевизионных трубках мониторов, телевизоров.

Источники:

• Г. Я Мякишев, Б.Б. Буховцев. Учебник по физике. 11 класс. Москва. “Просвещение”. 2003г
• решение задач на силу лоренца

Истинным направлением тока является то, в котором движутся заряженные частицы. Оно, в свою очередь, зависит от знака их заряда. Помимо этого, техники пользуются условным направлением перемещения заряда, не зависящим от свойств проводника.

Инструкция

Для определения истинного направления перемещения заряженных частиц руководствуйтесь следующим правилом. Внутри источника они вылетают из электрода, который от этого заряжается с противоположным знаком, и движутся к электроду, который по этой причине приобретает заряд, по знаку аналогичный частиц. Во внешней же цепи они вырываются электрическим полем из электрода, заряд которого совпадает с зарядом частиц, и притягиваются к противоположно заряженному.

В металле носителями тока являются свободные электроны, перемещающиеся между узлами кристаллической . Поскольку эти частицы заряжены отрицательно, внутри источника считайте их движущимися от положительного электрода к отрицательному, а во внешней цепи – от отрицательного к положительному.

В неметаллических проводниках заряд переносят также электроны, но механизм их перемещения иной. Электрон, покидая атом и тем самым превращая его в положительный ион, заставляет его захватить электрон с предыдущего атома. Тот же электрон, который покинул атом, ионизирует отрицательно следующий. Процесс повторяется непрерывно, пока в цепи ток. Направление движения заряженных частиц в этом случае считайте тем же, что и в предыдущем случае.

Полупроводники двух видов: с электронной и дырочной проводимостью. В первом носителями являются электроны, и потому направление движения частиц в них можно считать таким же, как в металлах и неметаллических проводниках. Во втором же заряд переносят виртуальные частицы – дырки. Упрощенно можно сказать, что это своего рода пустые места, электроны в которых отсутствуют. За счет поочередного сдвига электронов дырки движутся в противоположном направлении. Если совместить два полупроводника, один из которых обладает электронной, а другой – дырочной проводимостью, такой прибор, называемый диодом, будет обладать выпрямительными свойствами.

В вакууме заряд переносят электроны, движущиеся от нагретого электрода (катода) к холодному (аноду). Учтите, что когда диод выпрямляет, катод является отрицательным относительно анода, но относительно общего провода, к которому присоединен противоположный аноду вывод вторичной обмотки трансформатора, катод заряжен положительно. Противоречия здесь нет, если учесть наличие падения напряжения на любом диоде (как вакуумном, так и полупроводниковом).

В газах заряд переносят положительные ионы. Направление перемещения зарядов в них считайте противоположным направлению их перемещения в металлах, неметаллических твердых проводниках, вакууме, а также полупроводниках с электронной проводимостью, и аналогичным направлению их перемещения в полупроводниках с дырочной проводимостью. Ионы значительно тяжелее электронов, отчего газоразрядные приборы обладают высокой инерционностью. Ионные приборы с симметричными электродами не обладают односторонней проводимостью, а с несимметричными – обладают ей в определенном диапазоне разностей потенциалов.

В жидкостях заряд всегда переносят тяжелые ионы. В зависимости от состава электролита, они могут быть как отрицательными, так и положительными. В первом случае считайте их ведущими себя аналогично электронам, а во втором – аналогично положительным ионам в газах или дыркам в полупроводниках.

При указании направления тока в электрической схеме, независимо от того, куда перемещаются заряженные частицы на самом деле, считайте их движущимися в источнике от отрицательного полюса к положительному, а во внешней цепи – от положительного к отрицательному. Указанное направление считается условным, а принято оно до открытия строения атома.

Источники:

• направление тока

Нидерландский физик X. А. Лоренц в конце XIX в. установил, что сила, действующая со стороны магнитного поля на движущуюся заряженную частицу, всегда перпендикулярна направле­нию движения частицы и силовым линиям магнитного поля, в котором эта частица движется. Направление силы Лоренца можно определить с помощью правила левой руки. Если расположить ладонь левой руки так, чтобы четыре вытянутых пальца указывали на­правление движения заряда, а вектор магнитной индукции поля входил в отставленный большой палец укажет направление силы Лоренца, действующей на положительный заряд.

Если заряд частицы отрицательный, то сила Лоренца будет направлена в противоположную сторону.

Модуль силы Лоренца легко определяется из закона Ампера и составляет:

F = | q | vB sin? ,

где q – заряд частицы, v – скорость ее движения , ? – угол между векторами скорости и индукции магнитного поли.

Если кроме магнитного поля есть еще и электрическое поле , которое действует на заряд с силой , то полная сила, действующая на заряд, равна:

.

Часто именно эту силу называют силой Лоренца, а силу, выраженную формулой (F = | q | vB sin? ) называют магнитной частью силы Лоренца .

Поскольку сила Лоренца перпендикулярна направлению движения частицы, она не может изменить ее скорость (она не совершает работы), а может изменить лишь направление ее движения, т. е. искривить траекторию .

Такое искривление траектории электронов в кинескопе телевизо­ра легко наблюдать, если поднести к его экрану постоянный магнит – изображение исказится.

Движение заряженной частицы в однородном магнитном поле. Пусть заряженная частица влетает со скоростью v в однородное магнитное поле перпендикулярно линиям напряженности.

Сила, действующая со стороны магнитного поля на частицу, заставит ее равномерно вращаться по окружности радиусом r , который легко найти, воспользовавшись вторым законом Ньютона , выражением целеустремленного ускорения и формулой (F = | q | vB sin? ):

.

Отсюда получим

.

где m – масса частицы.

Применение силы Лоренца.

Действие магнитного поля на дви­жущиеся заряды применяется, например, в масс-спектрографах , позволяющих разделять заряженные частицы по их удельным за­рядам, т. е. по отношению заряда частицы к ее массе, и по полу­ченным результатам точно определять массы частиц.

Вакуумная камера прибора помещена в поле (вектор индукции перпендикулярен рисунку). Ускоренные электрическим полем заряженные частицы (электроны или ионы), описав дугу, попада­ют на фотопластину, где оставляют след, позволяющий с большой точностью измерить радиус траектории r . По этому радиусу опре­деляется удельный заряд иона. Зная заряд иона, легко вычислите его массу.

«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 F эл = 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..

Наряду с силой Ампера, кулоновского взаимодействия, электромагнитными полями в физике часто встречается понятие сила Лоренца. Это явление является одним из основополагающих в электротехнике и электронике, на ряду с , и прочими. Она воздействует на заряды, которые двигаются в магнитном поле. В этой статье мы кратко и понятно рассмотрим, что такое сила Лоренца и где она применяется.

Определение

Когда электроны движутся по проводнику – вокруг него возникает магнитное поле. В то же время, если поместить проводник в поперечное магнитное поле и двигать его – возникнет ЭДС электромагнитной индукции. Если через проводник, который находится в магнитном поле, протекает ток – на него действует сила Ампера.

Её величина зависит от протекающего тока, длины проводника, величины вектора магнитной индукции и синуса угла между линиями магнитного поля и проводником. Она вычисляются по формуле:

Рассматриваемая сила отчасти похожа на ту, что рассмотрена выше, но действует не на проводник, а на движущуюся заряженную частицу в магнитном поле. Формула имеет вид:

Важно! Сила Лоренца (Fл) действует на электрон, движущийся в магнитном поле, а на проводник – Ампера.

Из двух формул видно, что и в первом и во втором случае, чем ближе синус угла aльфа к 90 градусам, тем большее воздействие оказывает на проводник или заряд Fа или Fл соответственно.

Итак, сила Лоренца характеризует не изменение величины скорости, а то, какое происходит воздействие со стороны магнитного поля на заряженный электрон или положительный ион. При воздействии на них Fл не совершает работы. Соответственно изменяется именно направление скорости движения заряженной частицы, а не её величина.

Что касается единицы измерения силы Лоренца, как и в случае с другими силами в физике используется такая величина как Ньютон. Её составляющие:

Как направлена сила Лоренца

Чтобы определить направление силы Лоренца, как и с силой Ампера, работает правило левой руки. Это значит, чтобы понять, куда направлено значение Fл нужно раскрыть ладонь левой руки так, чтобы в руку входили линии магнитной индукции, а вытянутые четыре пальца указывали направление вектора скорости. Тогда большой палец, отогнутый под прямым углом к ладони, указывает направление силы Лоренца. На картинке ниже вы видите, как определить направление.

Внимание! Направление Лоренцового действия перпендикулярно движению частицы и линиям магнитной индукции.

При этом, если быть точнее, для положительно и отрицательно заряженных частиц имеет значение направление четырёх развернутых пальцев. Выше описанное правило левой руки сформулировано для положительной частицы. Если она заряжена отрицательно, то линии магнитной индукции должны быть направлены не в раскрытую ладонь, а в её тыльную сторону, а направление вектора Fл будет противоположным.

Теперь мы расскажем простыми словами, что даёт нам это явление и какое реальное воздействие она оказывает на заряды. Допустим, что электрон движется в плоскости, перпендикулярной направлению линий магнитной индукции. Мы уже упомянули, что Fл не воздействует на скорость, а лишь меняет направление движения частиц. Тогда сила Лоренца будет оказывать центростремительное воздействие. Это отражено на рисунке ниже.

Применение

Из всех сфер, где используется сила Лоренца, одной из масштабнейших является движение частиц в магнитном поле земли. Если рассмотреть нашу планету как большой магнит, то частицы, которые находятся около северного магнитного полюсов, совершают ускоренное движение по спирали. В результате этого происходит их столкновение с атомами из верхних слоев атмосферы, и мы видим северное сияние.

Тем не менее, есть и другие случаи, где применяется это явление. Например:

• Электронно-лучевые трубки. В их электромагнитных отклоняющих системах. ЭЛТ применялись больше чем 50 лет подряд в различных устройствах, начиная от простейшего осциллографа до телевизоров разных форм и размеров. Любопытно, что в вопросах цветопередачи и работы с графикой некоторые до сих пор используют ЭЛТ мониторы.
• Электрические машины – генераторы и двигатели. Хотя здесь скорее действует сила Ампера. Но эти величины можно рассматривать как смежные. Однако это сложные устройства при работе которых наблюдается воздействие многих физических явлений.
• В ускорителях заряженных частиц для того, чтобы задавать им орбиты и направления.

Заключение

Подведем итоги и обозначим четыре основных тезиса этой статьи простым языком:

1. Сила Лоренца действует на заряженные частицы, которые движутся в магнитном поле. Это вытекает из основной формулы.
2. Она прямо пропорциональна скорости заряженной частицы и магнитной индукции.
3. Не влияет на скорость частицы.
4. Влияет на направление частицы.

Её роль достаточно велика в «электрических» сферах. Специалист не должен упускать из вида основные теоретические сведения об основополагающих физических законах. Эти знания пригодятся, как и тем, кто занимается научной работой, проектированием и просто для общего развития.

Теперь вы знаете, что такое сила Лоренца, чему она равна и как действует на заряженные частицы. Если возникли вопросы, задавайте их в комментариях под статьей!

Материалы

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Сила Лоренца – сила, действующая на точечную заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле.

Она равна произведению заряда, модуля скорости частицы, модуля вектора индукции магнитного поля и синуса угла между вектором магнитного поля и скоростью движения частицы.

Здесь – сила Лоренца, – заряд частицы, – модуль вектора индукции магнитного поля, – скорость частицы, – угол между вектором индукции магнитного поля и направления движения.

Единица измерения силы – Н (ньютон) .

Сила Лоренца — векторная величина. Сила Лоренца принимает своё наибольшее значение когда векторы индукции и направления скорости частицы перпендикулярны ().

Направление силы Лоренца определяют по правилу левой руки:

Если вектор магнитной индукции входит в ладонь левой руки и четыре пальца вытянуты в сторону направления вектора движения тока, тогда отогнутый в сторону большой палец показывает направление силы Лоренца.

В однородном магнитном поле частица будет двигаться по окружности, при этом сила Лоренца будет центростремительной силой. Работа при этом не будет совершаться.

Примеры решения задач по теме «Сила Лоренца»

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Задание	Под действием силы Лоренца частица массы m с зарядом q движется по окружности. Магнитное поле однородно, его напряжённость равна B. Найти центростремительное ускорение частицы.
Решение	Вспомним формулу силы Лоренца: Кроме того, по 2 закону Ньютона: В данном случае сила Лоренца направлена к центру окружности и ускорение, ею создаваемое, направлено туда же, то есть это и есть центростремительное ускорение. Значит:

Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца

Смотреть онлайн

Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца:

Презентация на тему Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца к уроку по физике

Презентация “Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца” онлайн бесплатно на сайте электронных школьных учебников school-textbook.com

2 слайд

Сила Лоренца Модуль силы Лоренца. Направление силы Лоренца Правило левой руки Плоские траектории движения заряженных частиц в однородном магнитном поле Вопросы по теме.

3 слайд

Что называют линиями магнитной индукции? Закон Ампера? Правило левой руки для определения направления силы Ампера. В каких единица выражается магнитная индукция?

4 слайд

Сила Лоренца – сила, действующая на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля. Х.Лоренц (1853-1928)–голландский физик, основатель электронной теории строения вещества.

5 слайд

Модуль силы Лоренца: Уравнение для силы тока в проводнике: Сила Ампера:

9 слайд

Согласно второму закону Ньютона: Отсюда радиус:

10 слайд

Если кисть левой руки расположить так, что четыре вытянутых пальца указывают направление скорости положительного заряда, а вектор магнитной индукции входит в ладонь, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление силы действующей на данный заряд.

11 слайд

Плоские траектории движения заряженных частиц в однородном магнитном поле Заряженная частица влетающая в однородное магнитное поле параллельно линиям магнитной индукции, движется равномерно вдоль этих линий. Вращение отрицательного заряда по окружности происходит в направлении противоположенном вращению положительного заряда (рис.в)

12 слайд

№ 1 Какая сила действует на протон, движущийся со скоростью 10 Мм/с в магнитном поле индукцией 0,2 Тл перпендикулярно линиям индукции? № 2 Протон в магнитном поле индукцией 0,01 Тл описал окружность радиусом 10 см. Найти скорость протона.

13 слайд

Каким образом, зная силу Ампера , можно найти силу Лоренца? Дайте определение силе Лоренца. Чему равен её модуль? Как определяется направление силы Лоренца с помощью правила левой руки? Почему заряженная частица, влетающая в однородное магнитное поле в плоскости, перпендикулярно линиями магнитной индукции, движется по окружности? В каком случае частица движется в магнитном поле прямолинейно? Докажите, что период обращения по окружности заряженной частицы в поперечном магнитном поле не зависит от её скорости.

Отзывы на school-textbook.com “Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца” (0)

Оставить отзыв

Что бы вы не тратили своё драгоценное время на просмотр фильма, который не понравился большой массе зрителей, мы создали рейтинг просмотра, по которому вы сами сможете решить смотреть вам данную картину или нет.

Рейтинг оценивается по 10 бальной шкале. Верхняя часть рейтинга (большими буквами) определяет рейтинг по версии “Кинопоиск”, а в нижней части рейтинг по версии сайта “IMDB”

Пример: 8.45 – оценка, данные значения для каждой киноленты разные. (45767) – количество зрителей которые проголосовали за данный фильм.

По мнению пользователей оценки можно распределить по следующей шкале:

1.1-1.9 – ужаснее некуда, стыдно смотреть такое. 2.0-2.9 – ужас, не советую 3.0-3.9 – Не понравился большой части аудитории, смотреть не стоит так считают многие киноманы. 4.0-4.9 – Обычный фильм, как многие говорят, ничего нового, но все, же смотреть можно. 5.0-6.5 – Хороший фильм, можно посмотреть, большой части аудитории данная лента понравилась. 6.6-7,9 – Очень хороший фильм, стоит обязательно посмотреть. 8.0-10.0 – Шедевр, в обязательном порядке посмотрите, уж точно не пожелеете! Зачастую такие фильмы получают награды, и являются прорывом в киноиндустрии!

Сила Лоренца

2014-05-23

Действие магнитного поля на проводник с током обусловлена тем, что это поле действует на заряженные подвижные частицы в проводнике. Силу, действующую со стороны магнитного поля на заряженную частицу, называют силой Лоренца в честь голландского физика X. Лоренца, изучал движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях.

Расчеты показывают, что модуль силы Лоренца FЛ = qBsin?, где q — модуль заряда частицы, — модуль ее скорости, В — модуль вектора магнитной индукции, ? — угол между скоростью частицы и вектором магнитной индукции.

Направление силы Лоренца, действующей на положительно заряженную частицу, определяют с помощью правила левой руки:

? если раскрытую ладонь левой руки расположить так, чтобы вектор магнитной индукции входил в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление скорости положительно заряженной частицы, то отогнутый на 90 ° в плоскости ладони большой палец покажет направление силы, действующей на частицу.

На подвижное отрицательно заряженную частицу (например, электрон) сила Лоренца действует в противоположном направлении.

Поскольку сила Лоренца направлена перпендикулярно скорости частицы и вектора магнитной индукции, то работа силы Лоренца равна нулю.

Если скорость материальной точки перпендикулярна силы, действующей на нее, то эта точка движется по кругу. Получается, электрический заряд в магнитном поле будет двигаться по кругу. Следует подчеркнуть, что магнитная сила при этом является центростремительной силой, так что где R — радиус окружности. Отсюда

Таким образом,

? магнитное поле хотя и действует на частицу с некоторой силой, не меняет кинетическую энергию частицы, но изменяет только направление ее движения.

Действие магнитного поля на движущийся заряд широко используют в современной технике.

Действие магнитного поля применяют и в приборах, позволяющих разделять заряженные частицы по их удельным зарядами (q / m). Зная радиус, по которому движется частица, и ее скорость, можно найти удельный заряд частицы. Такие приборы получили название масс- спектрографов.

Особенность движения частиц: то, что более быстрые частицы движутся по кругу большего радиуса, используют при ускорении заряженных частиц в циклотронах.

Также силу Лоренца можно использовать для определения знака заряда и для исследований в ядерной физике.

категория: Физика

Тема «Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца»

Просмотр содержимого документа
«Тема «Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца»»

Тема «Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца» »

11 класс

Вопросы на повторение

• Что называют линиями магнитной индукции?
• Закон Ампера?
• Правило левой руки для определения направления силы Ампера.
• В каких единица выражается магнитная индукция?

Задача на повторение

Сила Лоренца

Определение: Силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля, называют  силой Лоренца  

В честь великого голландского

физика X. Лоренца (1853— 1928).

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:

Сила Лоренца

• Уравнение для силы тока в проводнике:

Сила Лоренца

, где

Сила Лоренца

Сила Лоренца перпендикулярна векторам  магнитной индукции и скорости заряженной частицы.

Правило Левой Руки

Если левую руку расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по движению положительно заряженной частицы, то отогнутый на 90 градусов большой палец укажет направление действующей на проводник силы

Направление действующей силы

Траектория движения частиц

∥

1. Если

2. Если ⊥ , то частица описывает траекторию в виде окружности

3. Если не⊥ , то частица описывает траекторию в виде винтовой линии

Радиус кривизны

Согласно второму закону Ньютона:

Отсюда радиус:

Период оборота

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

Решение задач

Решение задач

Вопросы на повторение

1. Чему равен модуль силы Лоренца?

2. Как движется заряженная частица в однородном магнитном поле, если начальная скорость частицы перпендикулярна линиям магнитной индукции?

3. Как определить направление силы Лоренца?

Домашнее задание

§ 6, Упражнение 1

Рымкевич:

Самостоятельная работа

11 класс

Магнитные поля – Силы на заряженные частицы – Высшая физическая редакция

1q0577z23xm.0.0.0.1:0.1.0.$0.$1.$0″> Хотя электрические поля создают силы на заряженных объектах, магнитные поля чаще встречаются в ускорителях частиц.

Магнитные поля обычно визуализируются с помощью железных опилок, но рисуются в виде линий со стрелками, указывающими с северного на южный полюс:

Магнитное поле существует вокруг движущихся зарядов, таких как провод, несущий электроны вертикально вверх.

Направление магнитных полей можно запомнить с помощью правила захвата левой руки для электронного потока.

При использовании положительных зарядов или обычного тока (от + до -) можно использовать правую руку.

Если токопроводящий провод или другой движущийся заряд помещают в стационарное магнитное поле, на него действует сила, обусловленная полем, создаваемым движущимся зарядом и стационарным полем.

Направление силы перпендикулярно направлению движения и стационарным силовым линиям. Это принцип, лежащий в основе электродвигателя.

Если проводник перемещается в постоянном магнитном поле, индуцируется ток.Это принцип, лежащий в основе электрического генератора.

Это можно запомнить с помощью правила правой руки Флеминга для электронного потока:

• thu M b показывает движение провода или другого проводника M
• F Первый палец показывает 1q0577z23xm.0.0.0.1:0.1.0.$0.$1.$23.$1.$3″> F поле
• они вызывают поток C , представленный пальцем C ond

Понимание правил для правой руки

Если вы считаете, что контент, доступный через Веб-сайт (как определено в наших Условиях обслуживания), нарушает или другие ваши авторские права, сообщите нам, отправив письменное уведомление («Уведомление о нарушении»), содержащее в информацию, описанную ниже, назначенному ниже агенту.Если репетиторы университета предпримут действия в ответ на ан Уведомление о нарушении, оно предпримет добросовестную попытку связаться со стороной, которая предоставила такой контент средствами самого последнего адреса электронной почты, если таковой имеется, предоставленного такой стороной Varsity Tutors.

Ваше Уведомление о нарушении прав может быть отправлено стороне, предоставившей доступ к контенту, или третьим лицам, таким как в качестве ChillingEffects.org.

Обратите внимание, что вы будете нести ответственность за ущерб (включая расходы и гонорары адвокатам), если вы существенно искажать информацию о том, что продукт или действие нарушает ваши авторские права.Таким образом, если вы не уверены, что контент находится на Веб-сайте или по ссылке с него нарушает ваши авторские права, вам следует сначала обратиться к юристу.

Чтобы отправить уведомление, выполните следующие действия:

Вы должны включить следующее:

Физическая или электронная подпись правообладателя или лица, уполномоченного действовать от их имени; Идентификация авторских прав, которые, как утверждается, были нарушены; Описание характера и точного местонахождения контента, который, по вашему мнению, нарушает ваши авторские права, в \ достаточно подробностей, чтобы позволить репетиторам университетских школ найти и точно идентифицировать этот контент; например нам требуется а ссылка на конкретный вопрос (а не только на название вопроса), который содержит содержание и описание к какой конкретной части вопроса – изображению, ссылке, тексту и т. д. – относится ваша жалоба; Ваше имя, адрес, номер телефона и адрес электронной почты; а также Ваше заявление: (а) вы добросовестно считаете, что использование контента, который, по вашему мнению, нарушает ваши авторские права не разрешены законом, владельцем авторских прав или его агентом; (б) что все информация, содержащаяся в вашем Уведомлении о нарушении, является точной, и (c) под страхом наказания за лжесвидетельство, что вы либо владелец авторских прав, либо лицо, уполномоченное действовать от их имени.

Отправьте жалобу нашему уполномоченному агенту по адресу:

Чарльз Кон Varsity Tutors LLC
101 S. Hanley Rd, Suite 300
St. Louis, MO 63105

Или заполните форму ниже:

Движение заряженных частиц в магнитных полях Сила Лоренца – магнетизм

Электрические и магнитные силы влияют на траекторию заряженных частиц, но качественно по-разному.

Сила, создаваемая как электрическими, так и магнитными силами, будет влиять на движение заряженных частиц. Однако результирующее изменение траектории частиц будет качественно отличаться между двумя силами.

Напомним, что в статическом неизменном электрическом поле E сила, действующая на частицу с зарядом q, будет:

F = qE

Где F – вектор силы, q – заряд, а E – вектор электрического поля. Обратите внимание, что направление F идентично направлению E в случае позитивистского заряда q и в противоположном направлении в случае отрицательно заряженной частицы.Это электрическое поле может быть создано большим зарядом Q, действующим на меньший заряд q на расстоянии r , так что:

Следует подчеркнуть, что электрическая сила F действует параллельно электрическому полю E . Ротор электрической силы равен нулю, т.е .:

▽ × E = 0

Следствием этого является то, что электрическое поле может работать, и заряд в чистом электрическом поле будет следовать по касательной к линии электрического поля.

Напротив, напомним, что магнитная сила, действующая на заряженную частицу, на ортогональна магнитному полю, так что:

F = qv × B = qvBsinθ

, где B – вектор магнитного поля, v – скорость частицы, а θ – угол между магнитным полем и скоростью частицы. Направление F можно легко определить с помощью правила правой руки .

Если скорость частицы выровнена параллельно магнитному полю или равна нулю, магнитная сила будет равна нулю.Это отличается от случая электрического поля, где скорость частицы не имеет никакого отношения в любой данный момент к величине или направлению электрической силы.

Угловая зависимость магнитного поля также заставляет заряженные частицы двигаться перпендикулярно линиям магнитного поля по кругу или спирали, в то время как частица в электрическом поле будет двигаться по прямой линии вдоль линии электрического поля.

Еще одно различие между магнитными и электрическими силами состоит в том, что магнитные поля не объединяются, , поскольку движение частицы является круговым и, следовательно, заканчивается в одном и том же месте. Мы выражаем это математически как:

Вт = ∮B⋅dr = 0

Сила Лоренца – это объединенная сила, действующая на заряженную частицу из-за электрического и магнитного полей, которые часто рассматриваются вместе для практических приложений. Если частица с зарядом q движется со скоростью v в присутствии электрического поля E и магнитного поля B , то на нее будет действовать сила:

Выше мы кратко упомянули, что движение заряженных частиц относительно силовых линий различается в зависимости от того, имеем ли мы дело с электрическими или магнитными полями.Есть некоторые заметные различия между концептуальными представлениями силовых линий электрического и магнитного поля. Линии электрического поля от положительного изолированного заряда представляют собой просто последовательность равномерно расположенных радиально направленных линий, направленных наружу от заряда. В случае отрицательного заряда направление поля меняется на противоположное. Электрическое поле направлено по касательной к силовым линиям. Конечно, мы представляем себе, что силовые линии тем плотнее упакованы, чем больше заряды. Хорошо видно, что ротор электрической силы равен нулю.

Если задействовано несколько зарядов, силовые линии формируются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных.

В случае магнитов силовые линии формируются на северном полюсе (+) и заканчиваются на южном полюсе (-) – см. Рисунок ниже. Однако магнитные «заряды» всегда бывают парами – магнитных монополей (изолированных северных или южных полюсов) не существует. Следовательно, ротор магнитного поля, создаваемого обычным магнитом, всегда отличен от нуля. Заряженные частицы будут вращаться по спирали вокруг этих силовых линий до тех пор, пока частицы имеют ненулевую составляющую скорости, направленную перпендикулярно силовым линиям.

Магнитное поле может также создаваться током с силовыми линиями, представленными в виде концентрических окружностей вокруг токоведущего провода. Магнитная сила в любой точке в этом случае может быть определена с помощью правила правой руки, и она будет перпендикулярна как току, так и магнитному полю.

Практические вопросы

Академия Хана

Официальная подготовка MCAT (AAMC)

Physics Question Pack Отрывок 11 Вопрос 66

Физика Пакет вопросов Отрывок 14 Вопрос 84

Физика Пакет вопросов Отрывок 14 Вопрос 86

Ключевые точки

• Магнитная сила: F = qvBsinθ

• Сила Лоренца: F = q (E + vB)

• Правило правой руки.Большой палец указывает направление движения заряда, а пальцы следят за линиями магнитного поля. Ладонь обращена в направлении магнитной силы.

• Сила, действующая на заряженную частицу из-за электрического поля, направлена ​​параллельно вектору электрического поля в случае положительного заряда и антипараллельно в случае отрицательного заряда. Это не зависит от скорости частицы.

• Напротив, магнитная сила, действующая на заряженную частицу, ортогональна вектору магнитного поля и зависит от скорости частицы.Правило правой руки можно использовать для определения направления силы.

• Электрическое поле может действовать на заряженную частицу, в то время как магнитное поле не действует.

• Сила Лоренца – это комбинация электрической и магнитной сил, которые часто рассматриваются вместе в практических приложениях.

• Линии электрического поля генерируются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных. Силовые линии изолированного заряда направлены прямо радиально наружу.Электрическое поле касается этих линий.

• Силовые линии магнитного поля в случае магнита генерируются на северном полюсе и заканчиваются на южном полюсе. Магнитные полюса не существуют изолированно. Как и в случае силовых линий электрического поля, магнитное поле касается силовых линий. Заряженные частицы будут вращаться вокруг этих силовых линий.

Ключевые термины

Линии магнитного поля: Графическое представление величины и направления магнитного поля.

Скорость: скорость изменения смещения во времени, скорость – вектор с величиной и направлением

Точечный заряд: электрический заряд, который считается сосредоточенным в математической точке без пространственной протяженности.

Ортогонально : Из двух объектов под прямым углом; перпендикулярны друг другу.

Правило для правой руки : чтобы определить направление магнитной силы на положительный движущийся заряд, ƒ, направьте большой палец правой руки в направлении v , пальцы в направлении B и перпендикулярно ладони указывает в направлении F .

Движение заряженной частицы в магнитном поле – University Physics Volume 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Объясните, как заряженная частица во внешнем магнитном поле совершает круговое движение
• Опишите, как определить радиус кругового движения заряженной частицы в магнитном поле

Заряженная частица испытывает силу при движении в магнитном поле.Что произойдет, если это поле будет однородным при движении заряженной частицы? По какому пути следует частица? В этом разделе мы обсуждаем круговое движение заряженной частицы, а также другое движение, возникающее в результате попадания заряженной частицы в магнитное поле.

Самый простой случай возникает, когда заряженная частица движется перпендикулярно однородному полю B ((рисунок)). Если поле находится в вакууме, магнитное поле является доминирующим фактором, определяющим движение. Поскольку магнитная сила перпендикулярна направлению движения, заряженная частица следует по кривой траектории в магнитном поле.Частица продолжает следовать по этому изогнутому пути, пока не образует полный круг. Другой способ взглянуть на это состоит в том, что магнитная сила всегда перпендикулярна скорости, поэтому она не действует на заряженную частицу. Таким образом, кинетическая энергия и скорость частицы остаются постоянными. Это влияет на направление движения, но не на скорость.

Отрицательно заряженная частица движется в плоскости бумаги в области, где магнитное поле перпендикулярно бумаге (обозначено маленькими буквами, такими как хвосты стрелок).Магнитная сила перпендикулярна скорости, поэтому скорость изменяется по направлению, но не по величине. Результат – равномерное круговое движение. (Обратите внимание, что поскольку заряд отрицательный, сила противоположна по направлению предсказанию правила правой руки.)

В этой ситуации магнитная сила обеспечивает центростремительную силу. Заметив, что скорость перпендикулярна магнитному полю, величина магнитной силы уменьшается до Поскольку магнитная сила F обеспечивает центростремительную силу, мы имеем

Решение для r дает

Здесь r – радиус кривизны пути заряженной частицы с массой m и зарядом q , движущейся со скоростью v , перпендикулярной магнитному полю с напряженностью B .Время прохождения заряженной частицы по круговой траектории определяется как период, равный пройденному расстоянию (окружности), деленному на скорость. Исходя из этого и (рисунок), мы можем получить период движения как

.

Если скорость не перпендикулярна магнитному полю, то мы можем сравнить каждую составляющую скорости отдельно с магнитным полем. Компонент скорости, перпендикулярный магнитному полю, создает магнитную силу, перпендикулярную как этой скорости, так и полю:

, где – угол между v и B .Компонент, параллельный магнитному полю, создает постоянное движение в том же направлении, что и магнитное поле, что также показано на (Рисунок). Параллельное движение определяет шаг p спирали, который представляет собой расстояние между соседними витками. Это расстояние равно параллельной составляющей скорости, умноженной на период:

Результатом является спиральное движение, как показано на следующем рисунке.

Заряженная частица, движущаяся со скоростью, отличной от направления магнитного поля.Компонент скорости, перпендикулярный магнитному полю, создает круговое движение, тогда как компонент скорости, параллельный полю, перемещает частицу по прямой. Шаг – это расстояние по горизонтали между двумя последовательными кругами. Результирующее движение – спиралевидное.

Пока заряженная частица движется по спирали, она может попасть в область, где магнитное поле неоднородно. В частности, предположим, что частица перемещается из области сильного магнитного поля в область более слабого поля, а затем обратно в область более сильного поля.Частица может отразиться до того, как войдет в область с более сильным магнитным полем. Это похоже на волну на струне, которая движется от очень легкой тонкой струны к твердой стене и отражается назад. Если отражение происходит с обоих концов, частица оказывается в так называемой магнитной бутылке.

Захваченные частицы в магнитных полях обнаружены в радиационных поясах Ван Аллена вокруг Земли, которые являются частью магнитного поля Земли. Эти пояса были обнаружены Джеймсом Ван Алленом при попытке измерить поток космических лучей на Земле (частицы высокой энергии, приходящие извне Солнечной системы), чтобы выяснить, похож ли он на поток, измеренный на Земле.Ван Аллен обнаружил, что из-за вклада частиц, захваченных магнитным полем Земли, поток на Земле был намного выше, чем в космическом пространстве. Полярные сияния, как и знаменитое полярное сияние (северное сияние) в Северном полушарии ((Рисунок)), представляют собой прекрасные проявления света, излучаемого при рекомбинации ионов с электронами, входящими в атмосферу, когда они движутся по спирали вдоль силовых линий магнитного поля. (Ионы – это в основном атомы кислорода и азота, которые первоначально ионизируются в результате столкновений с энергичными частицами в атмосфере Земли.) Полярные сияния наблюдались также на других планетах, таких как Юпитер и Сатурн.

(a) Радиационные пояса Ван Аллена вокруг Земли улавливают ионы, образующиеся в результате попадания космических лучей в атмосферу Земли. (b) Великолепное зрелище северного сияния, или северного сияния, сияет в северном небе над Беар-Лейк недалеко от базы ВВС Эйлсон, Аляска. Этот свет, сформированный магнитным полем Земли, создается светящимися молекулами и ионами кислорода и азота. (кредит b: модификация работы старшего летчика ВВС США Джошуа Стрэнга)

Beam Deflector Исследовательская группа занимается изучением короткоживущих радиоактивных изотопов.Им необходимо разработать способ транспортировки альфа-частиц (ядер гелия) от места их создания к месту, где они столкнутся с другим материалом с образованием изотопа. Луч альфа-частиц изгибается в области под углом 90 градусов с однородным магнитным полем 0,050 Тл ((Рисунок)). а) В каком направлении следует приложить магнитное поле? (б) Сколько времени требуется альфа-частицам, чтобы пройти через область однородного магнитного поля?

Вид сверху на установку дефлектора балки.

Стратегия

1. Направление магнитного поля показано RHR-1.Ваши пальцы указывают в направлении v , а большой палец должен указывать в направлении силы, влево. Следовательно, поскольку альфа-частицы заряжены положительно, магнитное поле должно указывать вниз.
2. Период движения альфа-частицы по окружности равен
   .

   
   Поскольку частица проходит только четверть круга, мы можем взять 0,25-кратный период, чтобы найти время, необходимое для обхода этого пути.

Решение

1. Давайте начнем с фокусировки на альфа-частице, входящей в поле в нижней части изображения.Сначала покажите пальцем вверх по странице. Чтобы ваша ладонь открывалась влево, куда указывает центростремительная сила (и, следовательно, магнитная сила), ваши пальцы должны менять ориентацию, пока они не будут указывать на страницу. Это направление приложенного магнитного поля.
2. Период движения заряженной частицы по кругу вычисляется с использованием заданных в задаче массы, заряда и магнитного поля. Получается, что
   

   
   Однако для данной задачи альфа-частица проходит четверть круга, поэтому время, необходимое для этого, составит
   

Значение. Это время может быть достаточно быстрым, чтобы добраться до материала, который мы хотели бы бомбардировать, в зависимости от того, насколько короткоживущий радиоактивный изотоп и продолжает испускать альфа-частицы.Если бы мы могли усилить магнитное поле, приложенное к области, это сократило бы время еще больше. Путь, по которому частицы должны пройти, можно было бы сократить, но это может оказаться неэкономичным, учитывая экспериментальную установку.

Проверьте свое понимание Однородное магнитное поле величиной 1,5 Тл направлено горизонтально с запада на восток. (а) Какова магнитная сила, действующая на протон в тот момент, когда он движется вертикально вниз в поле со скоростью, равной (б) Сравните эту силу с массой протона w .

а. к югу; б.

Сводка

• Магнитная сила может создавать центростремительную силу и заставлять заряженную частицу двигаться по круговой траектории радиусом
• Период кругового движения заряженной частицы, движущейся в магнитном поле, перпендикулярном плоскости движения, равен
• Спиральное движение возникает, если скорость заряженной частицы имеет компоненту, параллельную магнитному полю, а также компоненту, перпендикулярную магнитному полю.

Концептуальные вопросы

В данный момент электрон и протон движутся с одинаковой скоростью в постоянном магнитном поле. Сравните магнитные силы на этих частицах. Сравните их ускорения.

Величина протонных и электронных магнитных сил одинакова, поскольку они имеют одинаковый заряд. Однако направления этих сил противоположны друг другу. Ускорения противоположны по направлению, и электрон имеет большее ускорение, чем протон, из-за его меньшей массы.

Обязательно ли увеличение величины однородного магнитного поля, через которое проходит заряд, увеличение магнитной силы, действующей на заряд? Обязательно ли изменение направления поля означает изменение силы, действующей на заряд?

Электрон проходит через магнитное поле, не отклоняясь. Что вы сделаете по поводу магнитного поля?

Магнитное поле должно быть направлено параллельно или антипараллельно скорости.

Если заряженная частица движется по прямой, можно ли сделать вывод об отсутствии магнитного поля?

Как вы могли определить, какой полюс электромагнита северный, а какой южный?

Компас указывает на северный полюс электромагнита.

Проблемы

Электрон космических лучей движется перпендикулярно магнитному полю Земли на высоте, где напряженность поля равна. Каков радиус кругового пути, по которому движется электрон?

(a) Зрители «Звездного пути» слышали о двигателе антивещества на корабле Starship Enterprise . Одна из возможностей для такого футуристического источника энергии – хранить заряженные частицы антивещества в вакуумной камере, циркулирующие в магнитном поле, а затем извлекать их по мере необходимости.Антивещество уничтожает обычную материю, производя чистую энергию. Какая напряженность магнитного поля необходима, чтобы удерживать антипротоны, движущиеся по круговой траектории радиусом 2,00 м? Антипротоны имеют ту же массу, что и протоны, но имеют противоположный (отрицательный) заряд. (b) Можно ли получить такую ​​напряженность поля с помощью современных технологий или это футуристическая возможность?

(a) Ион кислорода-16 с массой движется перпендикулярно магнитному полю 1,20 Тл, что заставляет его двигаться по дуге окружности с 0.231-метровый радиус. Какой положительный заряд на ионе? б) Каково отношение этого заряда к заряду электрона? (c) Обсудите, почему соотношение, найденное в (b), должно быть целым числом.

а. б. 3; c. Это отношение должно быть целым числом, потому что заряды должны быть целыми числами основного заряда электрона. Никаких бесплатных сборов со значениями меньше, чем этот базовый сбор, не существует, и все сборы являются целыми числами, кратными этому базовому сбору.

Электрон в телевизионном электронно-лучевой трубке движется со скоростью 10 мс в направлении, перпендикулярном полю Земли, которое имеет напряженность а) электрическое поле какой напряженности должно быть приложено перпендикулярно полю Земли, чтобы электрон двигался по прямой линии? (b) Если это делается между пластинами, разделенными 1.00 см, какое напряжение приложено? (Обратите внимание, что телевизоры обычно окружены ферромагнитным материалом для защиты от внешних магнитных полей и исключения необходимости такой коррекции.)

(a) С какой скоростью протон будет двигаться по круговой траектории того же радиуса, что и электрон в предыдущем упражнении? б) Каким был бы радиус пути, если бы протон имел ту же скорость, что и электрон? (c) Каким был бы радиус, если бы протон имел такую ​​же кинетическую энергию, что и электрон? (г) Тот же импульс?

(а) 3.27 x 10 ⁴ м / с (б) 12,525 м (в) 292 м (г) 6,83 м.

(a) Какое напряжение будет ускорять электроны до скорости (b) Найдите радиус кривизны пути протона, ускоренного через этот потенциал в поле 0,500 Тл, и сравните его с радиусом кривизны электрона, ускоренного через такой же потенциал.

Альфа-частица движется по круговой траектории радиусом 25 см в однородном магнитном поле величиной 1,5 Тл. А) Какова скорость частицы? б) Какова кинетическая энергия в электрон-вольтах? (c) Через какую разность потенциалов должна быть ускорена частица, чтобы придать ей эту кинетическую энергию?

Частица с зарядом q и массой m ускоряется из состояния покоя через разность потенциалов V , после чего встречает однородное магнитное поле B .Если частица движется в плоскости, перпендикулярной B , каков радиус ее круговой орбиты?

Глоссарий

космические лучи

состоит из частиц, которые происходят в основном за пределами Солнечной системы и достигают Земли

винтовой ход

суперпозиция кругового движения с прямолинейным движением, за которым следует заряженная частица, движущаяся в области магнитного поля под углом к ​​полю

Вопрос № e7cf9 | Socratic

Магнитное поле Земли направлено с юга на север, то есть географический Северный полюс является южным магнитным полюсом….. вот почему северный полюс компаса указывает на север.

Теперь мы можем использовать правило правой руки , чтобы определить направление силы, действующей на положительно заряженную частицу, которая падает на землю.

Проблема в том, что существует несколько версий правил для правой (и левой) руки.

Я использую это, потому что следует прямо из уравнения силы Лоренца: #mathbf F = q (mathbf v умножить на mathbf B) #:

Итак, правой рукой:

• ваш указательный палец указывает в направлении движения положительно заряженных частиц (старая идея Бенджамина Франклина об обычном токе предполагает движение положительно заряженных частиц).Итак, вы указываете пальцем на центр Земли

• ваш средний палец указывает в направлении поля B, т.е. юг – север

Ваш большой палец должен теперь указывать влево – вправо …. или Запад – Восток , если вы находились в космическом пространстве с географическим Северным полюсом Земли, направленным вертикально вверх. Это направление силы, действующей на частицы.

Однако в Великобритании на уровне 15-16 лет действуют правила Флеминга для правой руки (генераторы) и левой руки (двигатели).И пальцы указывают на разные вещи.

Если мы думаем об этом как о двигателе, то есть как если бы частицы, связанные с землей, были движущимся током внутри проводника, предназначенным для движения проводника, тогда мы используем правило левой руки Флеминга, и пальцы указывают следующим образом:

Получаем, конечно, тот же результат:

• указательный палец указывает на юг – север, то же самое, что и B-поле земли

• средний палец указывает на центр Земли, так как это направление движения положительно заряженных частиц

Еще раз, ваш большой палец должен теперь указывать Запад – Восток .

Физика Подсказка 1 | Fredonia.edu

Пузырьковая камера – это детектор заряженных частиц, используемый вместе с ускорителем частиц высокой энергии. Взаимодействие частиц, инициированное ускорителем, наблюдается в пузырьковой камере, которая состоит из перегретой жидкости, то есть жидкости, нагретой до температуры немного выше ее точки кипения, в данном случае жидкого водорода. Такое состояние метастабильно, – небольшое возмущение жидкости инициирует кипение.Заряженной элементарной частицы, такой как электрон или протон, достаточно, чтобы инициировать процесс кипения, поэтому после нее остается поток крошечных пузырьков, которые затем можно сфотографировать под разными углами. Затем трехмерные треки определяются геометрическими методами. Пузырьковая камера окружена большим магнитом, который заставляет заряженные частицы двигаться по искривленным спиральным траекториям. Это помогает идентифицировать частицы, поскольку положительные и отрицательные частицы будут изгибаться в магнитном поле противоположно, а радиус кривизны пропорционален импульсу частицы (технически составляющей импульса, перпендикулярной полю).Частицы медленно теряют энергию из-за столкновений, когда они проходят через жидкость, поэтому они спиралевидно движутся внутрь с все более узкими радиусами кривизны. Скорость потери энергии также помогает определить типы вовлеченных частиц.

Если предположить, что магнитное поле перпендикулярно показанной фотографии, вопрос в том, направлено ли оно внутрь или наружу. Основным инструментом здесь является правило правой руки. Держите правую руку ровно, пальцы вытянуты, большой палец перпендикулярен пальцам.Тогда, если ток направлен в направлении большого пальца, а пальцы – в направлении магнитного поля, сила будет в том направлении, в котором ваша ладонь толкнула бы, если бы вы что-то толкнули (это одна из нескольких версий правила правой руки – вы можете научили другому). Для положительных частиц текущее направление – это просто направление, в котором движется частица; для отрицательных частиц ток противоположен направлению движения.

Более сложная часть проблемы – определить, какие частицы являются электронами, а какие – позитронами.На фотографии есть и другие заряженные частицы, но большая часть сильно искривленных треков – это электроны или позитроны. Между частицами и античастицами существует почти точная симметрия, из-за которой трудно ответить на такие вопросы, как этот, но здесь присутствует асимметрия , заключающаяся в том, что пузырьковая камера заполнена веществом (в основном жидким водородом), а не антивеществом. Итак, уловка состоит в том, чтобы найти взаимодействие между одним из высокоэнергетических треков, который может быть либо частицей материи (электрон), либо антивеществом (позитрон), и неподвижной частицей из жидкости пузырьковой камеры, которая могла только быть материей.Позитрон – античастица электрона. Он заряжен положительно, противоположно отрицательному заряду электрона, но в остальном идентичен электрону (например, имеет такую ​​же массу).

Кстати, если вам интересно, все частицы, которые вы видите, являются результатом взаимодействия нейтрино чрезвычайно высоких энергий на приличном расстоянии под изображением. Хотя нейтрино взаимодействуют так редко, что они часто пересекают всю Землю, не отклоняясь или не замедляясь, если вы сделаете их достаточно в ускорителе элементарных частиц, некоторые из них будут взаимодействовать, и их свойства можно определить на основе подробного анализа тысяч таких фотографий, взятых из которые могут быть вычислены вероятности различных взаимодействий.Нужен еще один намек?

Вернуться в Физический факультет Фредонии

SVS: Plasma Zoo: Гиродвижение в трех измерениях

Движение заряженных частиц в электромагнитных полях важно для понимания поведения плазмы в космосе. В Plasma Zoo мы представляем визуализацию движения частиц в простых конфигурациях электромагнитного поля.

Рассмотрим магнитное поле, которое заполняет область пространства с одинаковой интенсивностью и направлением.Здесь мы представляем это магнитное поле (обозначенное буквой «B») в виде голубой (светло-зеленой) стрелки, ее направление представляет направление вектора поля.

Одним из наиболее фундаментальных движений заряженных частиц в магнитном поле является гиродвижение или циклотронное движение. Если заряженная частица движется в магнитном поле, на частицу действует сила, перпендикулярная направлению движения заряда и поля. Это направление определяется Правилом правой руки (Википедия).

В простейшем случае это изгибает траекторию частицы в круг. Направление силы также зависит от заряда частицы, при этом отрицательные частицы (обозначенные «-») направлены по кругу в направлении, противоположном положительным частицам (обозначенным «+»). Если мы посмотрим вдоль направления, на которое указывает магнитное поле, мы увидим, что положительные частицы вращаются против часовой стрелки, а отрицательные частицы вращаются по часовой стрелке.

В этой визуализации у нас есть две заряженные частицы с одинаковой массой и скоростью, одна положительная и одна отрицательная, движущиеся в трехмерном пространстве.Подобно результатам, которые мы видим в Plasma Zoo: Gyromotion в двух измерениях, мы видим, что две заряженные частицы, вылетающие в одном направлении, имеют свои траектории, изогнутые в круги, и проходят круговой путь в противоположных направлениях.

Магнитное поле однородное и направлено перпендикулярно плоскости. В этом случае круговой путь частицы становится спиральным.

Важное примечание: Пример здесь показывает частицы с одинаковой скоростью и массой .