Фізика. З поглибленим вивченням фізики. Повторне видання. 9 клас. Засєкіна

§ 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

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.

Андре Марі Ампер (1775-1836)

Французький фізик і математик

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.

Вираз для обчислення сили Лоренца має вигляд Fл = |q| Bvsin α, де q — електричний заряд частинки, α — кут між вектором швидкості частинки і вектором магнітної магнітної індукції.

Гендрік Антон Лоренц (1853-1928)

Голландський фізик. Лауреат Нобелівської премії 1902 р.

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).

Мал. 68. Напрямок сили Лоренца

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 вектора швидкості (мал. 69).

Мал. 69. Визначення напрямку сили Лоренца

Якщо частинки влітають у магнітне поле під деяким (відмінним від 90°) кутом α, вони ніби нанизуватимуться на магнітні силові лінії й рухатимуться вздовж їх по спіралі (мал. 70). Сила Лоренца завжди перпендикулярна до швидкості руху частинки, тому вона не виконує роботу і не змінює кінетичну енергію частинки.

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

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

Сила Лоренца виникає 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. collide — 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. 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