Фізика 11 клас (Остапенко Т.М.)

Магнітне поле. Сила Ампера. Сила Лоренца

Магнетне поле - це особлива форма матеріальної взаємодії. Воно виникає : 1) між рухомими зарядженими частинками, 2) між провідниками зі струмом, 3) між струмом і рухомим зарядом. Магнетне поле - одна з форм електромагнетного поля. Завжди, коли існує змінне електричне поле, виникає й магнетне поле. Магнетне поле, характеристики якого не змінюються з часом, називається стаціонарним. Силовою характеристикою магнетного поля є вектор індукції магнетного поля  . За напрям вектора магнетної індукції в місці розташування вільної маленької рамки зі струмом беруть напрям перпендикуляра до рамки. Останній визначають напрямом руху свердлика (правого гвинта), який потрібно обертати в напрямі струму в рамці.

Правило свердлика: якщо рукоятку свердлика з правою різьбою обертати за напрямком струму в рамці, то напрям вектора  збігається з напрямком руху свердлика. Напрям вектора магнетної індукції  збігається з напрямком осі магнетної стрілки в полі (від південного полюса до північного) (Рис. 42).

Графічно магнiтне поле зображають лініями магнетної індукції, дотичні до яких збігаються з напрямом вектора магнетної індукції в даній точці. Лінії магнетної індукції завжди замкнуті на відміну від ліній електростатичного поля, які починаються і закінчуються на зарядах. Такі поля називають вихровими.

На прямолінійний провідник зі струмом в магнетному полі діє сила,

перпендикулярна до напрямку струму і вектора магнетної індукції (сила Ампера)

В - індукція поля, І - сила струму в провіднику, l - довжина провідника, α - кут між провідником і напрямом вектора магнетної індукції. Напрям сили Ампера визначають за правилом лівої руки: якщо розташувати ліву руку так, щоб силові лінії магнетного поля входили в долоню, а чотири випрямлені пальці вказували напрямок струму, то відігнутий на 90 ⁰ великий палець покаже напрям сили Ампера (Рис.43).

Провідники зі струмом одного напрямку притягаються, різного напрямку відштовхуються. Сили взаємодії двох провідників із струмом визначається за формулою

,

де  - довжина провідника, I₁I₂ - відповідні струми, d - відстань між провідниками, μ₀ = 4π·10^-7 Гн/м, μ₀ - магнетна стала,μ - магнетна проникність середовища: - показує в скільки разів вектор магнетної індукції в однорідному середовищі більший за вектор магнетної індукції у вакуумі. На заряджену частинку у магнетному полі, яка рухається зі швидкістю , діє сила Лоренца

,

де q - заряд частинки,  - швидкість частинки, ? - кут між вектором швидкості і вектором магнетної індукції.

Напрям сили Лоренца визначається за правилом лівої руки, яке справджується для руху позитивних заряджених частинок. Для негативних - напрям струму вважається протилежним напряму їх руху.

Сила Лоренца завжди перпендикулярна до швидкості частинки, тому вона не виконує роботи.

Якщо частинка влітає в електричне поле під кутом ?:

1. α = 0

В цьому випадку частинка рухається по інерції (= const) (Рис.4).

2. α = 90⁰

B = const, то частинка описує коло (Рис.45).

Період обертання зарядженої частинки

3. a < 90°

Швидкість частинки напрямлена під кутом α до магнетного поля. Під дією сили Лоренца частинка рухається по гвинтовій лінії (Рис.46).

h - крок спіралі.

, де Т - період обертання.