Сила Лоренца
Когда некоторый участок провода, по которому идет электроток, находится в полевом пространстве, на движущиеся заряды действует сила со стороны поля. Ее называют силой Лоренца, по фамилии впервые обнаружившего это явление ученого. На ее значение оказывают влияние величины тока, индукции и угла между векторами этих двух величин.
Важно! Максимальное значение Лоренцовой силы достигается, когда проводниковый элемент образует с полем прямой угол. Когда направления поля и тока параллельны друг другу, рассматриваемая сила отсутствует
Чтобы узнать вектор этой силы, можно воспользоваться правилом правой руки. Указательный палец нужно жестко зафиксировать в положении, показывающем вектор МП, а большой – отвести в сторону движения тока. В такой позиции средний палец при оттягивании под прямым углом к руке укажет в сторону приложения силы Лоренца.
Направление Лоренцовой силы
Для расчета значения этой величины для некоторого заряда, перемещающегося перпендикулярно полю, используют выражение:
F=B*q*v (здесь v – скорость движения заряда).
Когда имеется угол между направлениями, формула принимает вид:
F=B*q*v*sin α.
Если надо рассчитать индукцию в контуре, помещенном в однородное поле, используют равенство:
В=М(S*I),
где М – момент амперовой силы, а S – площадь поверхности контурного элемента.
Как возникает магнитное поле
В начале ХIХ века датский физик Ханс Эрстед и французский исследователь Андре Ампер экспериментально открыли явления, объяснить которые удалось только с помощью введения нового понятия, названного магнитным полем.
Рис. 1. Опыты Эрстеда и Ампера, демонстрирующие наличие магнитного поля.
Последовавшие вслед за этими опытами многочисленные исследования подтвердили существование нового поля, названного магнитным, которое обладает следующими основными свойствами:
- Магнитное поле возникает только в результате движения электрических зарядов;
- Это поле непрерывно в пространстве и обладает способностью оказывать силовое воздействие на другие электрические заряды, находящиеся в движении;
- Постоянное магнитное поле существует у природных магнитных тел, но и в этом случае причиной возникновения поля является непрерывное движение молекулярных токов (вихрей) в массе вещества;
- Магнитное поле можно создать также с помощью переменного электрического поля.
Ученые недавно узнали, что перелетные птицы ориентируются в пространстве с помощью магнитного поля Земли. У птиц возле глаз имеется небольшой “компас” — небольшое тканевое поле с кристаллами магнетита, которые могут намагничиваться в магнитном поле.
Изменения в магнитосфере Земли
Характеристики земного МП меняются, в основном, вследствие того, что оно смещается относительно земного шара. Люди привыкли, что северный конец стрелы должен устремляться к северу. При обратной намагниченности диполя планеты ситуация будет противоположной. В обсерваториях фиксируются данные о состоянии МП планеты, и на их основе создаются геомагнитные карты. Они демонстрируют наличие отклонений в напряженности МП и положении силовых линий в некоторых уголках Земли. Эти явления называют магнитными аномалиями. Иногда их используют как индикаторы местоположения определенных ископаемых ресурсов.
Связь между индукцией и степенью напряженности поля широко используется в расчетах. Она позволяет вывести выражения для нахождения значения индукции в проводниках разных форм, сделанных из материалов с различными показателями магнитной проницаемости.
B и H магнитная индукция
Магнитная индукция B измеряется теслами (СИ), Тл эквивалентно Н с / Кл м. Н – ньютон, единица измерения силы; с – секунда времени; Кл – кулон, электрический заряд; м – метр расстояния. СГС для тех же целей применяет гауссы (Гс = √г / с √см), г – грамм массы; с – секунда времени; см – сантиметр расстояния. H магнитная индукция измеряется амперами на метр (СИ) или эрстедах (СГС). Русскоязычная литература именует Н напряженностью поля.
Единица тесла введена в 1960 году Международной конференцией по весам и мерам в честь скончавшегося Николы Тесла. Фактически с начала существования СИ. Как ученые жили до этого? К 1948 году зародилась идея внедрения СИ, уже существовала СГС. Истоки последней заложены в 1832 году Карлом Фридрихом Гауссом, искавшим единый базис для отраслей физики, дабы проще было связать разнородные законы. Ученый задался тремся основными единицами: миллиметр, миллиграмм, секунда.
Гаусс скончался вскоре после введения понятия магнитная индукция и деления величины на В и Н, однако в 1874 году Джеймс Максвелл, лорд Кельвин дополнили перечень новыми величинами. Магнитную индукцию назвали в честь основателя, одновременно систему нарекли СГС (до этого именовалась гауссовой). Что касается СИ, теслу можно представить через базовые или производные единицы разным образом. Вебер, отнесенный на квадратный метр.
Отталкивание катушек с током
В вакууме два вида индукции (Н и В) связаны через постоянные. Чтобы отличить одно от другого, Н именуется вектором напряженности магнитного поля. Понятно, что смыслом не сильно отличается от В. В формуле:
- μ – магнитная проницаемость среды.
- μ0 – магнитная постоянная (проницаемость вакуума). В системе СГС равна 1, в вакууме В и Н одинаковы. В СИ составляет 1,257 микроньютона на квадратный ампер.
Постоянные введены специально, чтобы связать Н и В – характеристики магнитного поля. Кстати, существует множество версий, почему лорд Кельвин назвал векторы таким образом (литеры Н и В). Интересующимся рекомендуем ознакомиться с понятиями: относительная магнитная проницаемость (отношение абсолютной μ к постоянной μ0), магнитная восприимчивость (относительная магнитная проницаемость, увеличенная на 1). Поможет лучше понять формулы литературных источников, где зависимость между В и Н иного вида приведенного обзором.
Можете найти множество законов, формул, касающихся магнитной индукции, показывающих, сколь важное место занимает параметр в теории. Авторам неизвестно, пользовался ли подобными величинами Никола Тесла при разработке многофазного асинхронного двигателя, но неспроста же величине дали имя великого ученого!
Физический смысл
С научной точки зрения данное явление можно объяснить таким образом. В основе любого металла лежит кристаллическая решётка. В этой кристаллической решётке содержатся отрицательно заряженные частицы – электроны. В ситуации, когда на проводник не оказывается никакого внешнего магнитного воздействия, заряженные частицы находятся в состоянии полного покоя.
Но в ситуации, когда проводник подпадает под воздействие магнитного поля переменной направленности, эти частицы приходят в движение. Прибор для создания магнитного поля и наблюдения явления индукции в лабораторных условиях состоит из металлической катушки, и перемещающегося в ней постоянного магнита. В результате перемещения внутри металла образуется электроток. Сила возникающего в катушке электротока зависит от нескольких факторов:
- Свойств металла, из которого сделана катушка.
- Свойств магнита, перемещающегося внутри катушки.
- Скорости движения катушки и магнита относительно друг друга.
В результате воздействия силового поля магнита на кристаллическую решётку катушки, электроны, содержащиеся в ней, разворачиваются на определённый угол, выстраиваясь вдоль направления силовых линий поля.
И чем сильнее магнитное воздействие, тем большее число электронов внутри металла поворачиваются, однороднее становится их положение в кристаллической решётке. При этом магнитные поля отдельных частиц не нейтрализуют друг друга, а наоборот, усиливают и формируют единое магнитное поле.
«Действие магнитного поля на проводник с током»
Если металлический проводник с током поместить в магнитное поле, то на этот проводник со стороны магнитного поля будет действовать сила, которая называется силой Ампера.
Сила Ампера зависит от длины проводника с током, силы тока в проводнике, модуля магнитной индукции и расположения проводника относительно линий магнитной индукции: FA = BIlsinа.
Для определения направления силы Ампера применяют правило левой руки. Если левую руку расположить в магнитном поле так, чтобы силовые линии входили в ладонь, а четыре пальца были направлены по току, то отогнутый большой палец укажет направление силы, действующей на проводник.
Магнитное взаимодействие можно наблюдать между двумя параллельными токами (опыт Ампера): два параллельных проводника с током отталкиваются, если направления токов в них противоположны, и притягиваются, если направления токов совпадают.
Экспериментальное исследование показывает, что сила Ампера прямо пропорциональна длине проводника l и силе тока I в проводнике. Коэффициентом пропорциональности в этом равенстве является модуль вектора магнитной индукции В. Соответственно, F = BIl. В таком виде зависимость силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, записывается в том случае, если линии магнитной индукции перпендикулярны проводнику с током. Из приведённой формулы понятно, что магнитная индукция является силовой характеристикой магнитного поля.
Единица магнитной индукции = 1Н / 1А • 1м = 1 Тл. За единицу магнитной индукции принимают магнитную индукцию такого поля, в котором на проводник длиной 1 м действует сила 1Н при силе тока в проводнике 1 А.
Магнитное поле действует также на движущиеся заряженные частицы. При этом сила (сила Лоренца) зависит от модуля магнитной индукции, заряда частицы, а также от модуля и направления её скорости.
Электрический двигатель
Движение проводника с током в магнитном поле лежит в основе работы электрического двигателя. Если поместить прямоугольную рамку в магнитное поле и пропустить по ней электрический ток, то рамка повернётся, потому, что на стороны рамки действует сила Ампера. При этом сила, действующая на сторону рамки ab, противоположна силе, действующей на сторону cd.
Для того чтобы рамка не остановилась в тот момент, когда её плоскость перпендикулярна линиям магнитной индукции, и продолжала вращаться, изменяют направление тока в проводнике. Для этого к концам рамки припаяны полукольца, по которым скользят контакты, соединённые с источником тока. При повороте рамки на 180° меняются контактные пластины, которых касаются полукольца и, соответственно, направление тока в рамке.
В электрическом двигателе энергия электрического и магнитного полей превращается в механическую энергию.
Действие магнитного поля на проводник с током
Конспект урока по физике в 8 классе «Действие магнитного поля на проводник с током».
Следующая тема: «Электромагнитная индукция. Опыты Фарадея».
Источники магнитного поля
Приведенный выше эксперимент наглядно демонстрирует, как любой человек может определить направление силовых линий магнитного поля Земли. Стрелка прибора покажет направления на южный и северный полюс. Продольная ось этого индикатора будет совпадать с вектором (В).
Электромагнитное поле проводника
Если аналогичный опыт выполнить около проводника с током, по движению стрелки можно определить круговое расположение силовых линий. Они образуют замкнутые кольца, перпендикулярные осевой линии кабеля.
Электромагнитная индукция
Достаточно сильное поле образует индукционная катушка. Практический пример – соленоид реле или запорного устройства. При включении такой узел втягивает внутрь металлический сердечник.
Схематический рисунок поясняет направление втягивающей силы, которая образуется в центральной оси соленоида
Любознательным
«Вращающийся» суп
Если вы как-нибудь возьметесь готовить? например, томатный суп-пюре, то попробуйте хорошенько раскрутить его в кастрюле,
а затем вытащите ложку. Как и следовало ожидать, вскоре суп перестанет вращаться, но вы сможете заметить,
что последние несколько секунд он будет вращаться в противоположном направлении. Почему это происходит?
Оказывается…
«Странное» поведение супа может служить примером возникновения упругой реакции в вязкой упругой жидкости.
Когда вращение супа почти прекращается из-за трения о стенки кастрюли, его поверхностный слой еще продолжает вращаться.
Затем поверхностный слой под действием упругой силы, действующей между ним и остальной массой супа, возвращается назад,
и направление вращения на мгновение меняется. После этого в течение некоторого времени еще будут продолжаться колебания
около положения равновесия если
только суп не настолько вязкий, что эти колебания затихнут практически сразу.
И это ещё не всё!
Опыт Эрстеда
Однако магнитное поле создают не только постоянные магниты.
В 1820 г. датский физик Ханс Кристиан Э́рстед на одной из своих лекций в университете демонстрировал студентам опыт по нагреванию проволоки от «вольтова столба». Один из проводов электрической цепи оказался на стеклянной крышке морского компаса, лежащего на столе. Когда учёный замкнул электрическую цепь и по проводу пошёл ток, магнитная стрелка компаса вдруг отклонилась в сторону. Конечно, Эрстед поначалу подумал, что это просто случайность. Но, повторив опыт в тех же условиях, он получил тот же результат. Тогда он начал менять расстояние от провода до стрелки. Чем бόльшим оно было, тем слабее отклонялась стрелка. Но и это ещё не всё. Пропуская ток через провода, сделанные из разных металлов, он обнаружил, что даже те из них, которые не обладали магнитными свойствами, вдруг становились магнитами, когда через них проходил электрический ток. Стрелка отклонялась, даже когда её отделяли от провода с током экранами из материалов, не проводящих ток: дерева, стекла, камней. Даже когда её поместили в резервуар с водой, она всё равно продолжала отклоняться. При разрыве электрической цепи магнитная стрелка компаса возвращалась в исходное состояние. Это означало, что проводник, по которому идёт электрический ток, создаёт магнитное поле, заставляющее стрелку устанавливаться в определённом направлении.
Ханс Кристиан Эрстед
Взаимодействие магнитов
Магнит притягивает другие магниты, не соприкасаясь с ними. Одноимённые полюсы разных магнитов отталкиваются, а разноимённые притягиваются. Не правда ли, это напоминает взаимодействие электрических зарядов?
Электрические заряды оказывают действие друг на друга с помощью электрического поля, образующегося вокруг них. Постоянные магниты взаимодействуют на расстоянии, потому что вокруг них существует магнитное поле.
Физики XIX века пытались представить магнитное поле как аналог электростатического. Они рассматривали полюсы магнита как положительный и отрицательный магнитные заряды (северный и южный полюсы соответственно). Но вскоре поняли, что изолированных магнитных зарядов не существует.
Два одинаковых по величине, но разных по знаку электрических заряда называют электрическим диполем. Магнит имеет два полюса и является магнитным диполем.
Заряды в электрическом диполе можно легко отделить друг от друга, разрезав на две части проводник, в разных частях которого они находятся. Но с магнитом так не получится. Разделив таким же способом постоянный магнит, мы получим два новых магнита, каждый из которых тоже будет иметь два магнитных полюса.
И сколько бы не делили их дальше, всё равно будут получаться магнитные диполи.
Тела, имеющие собственное магнитное поле, называются магнитами. Различные материалы по-разному притягиваются к ним. Это зависит от структуры материала. Свойство материалов создавать магнитное поле под воздействием внешнего магнитного поля, называется магнетизмом.
Наиболее сильно притягиваются к магнитам ферромагнетики. Причём их собственное магнитное поле, создаваемое молекулами, атомами или ионами, в сотни раз превосходит вызвавшее его внешнее магнитное поле. Ферромагнетиками являются такие химические элементы, как железо, кобальт, никель, а также некоторые сплавы.
Парамагнетики – вещества, намагничивающиеся во внешнем поле в его направлении. Притягиваются к магнитам слабо. Химические элементы алюминий, натрий, магний, соли железа, кобальта, никеля и др. – примеры парамагнетиков.
Но есть материалы, которые не притягиваются, а отталкиваются от магнитов. Их называют диамагнетиками. Они намагничиваются против направления внешнего магнитного поля, но отталкиваются от магнитов довольно слабо. Это медь, серебро, цинк, золото, ртуть и др.
