U članku ćemo govoriti o Lorentzovoj magnetskoj sili, kako ona djeluje na vodič, razmotriti pravilo lijeve strane za Lorentzovu silu i moment sile koji djeluje na strujni krug.
Lorentzova sila je sila koja djeluje na nabijenu česticu koja pada određenom brzinom u magnetsko polje. Veličina ove sile ovisi o veličini magnetske indukcije magnetskog polja B, električni naboj čestice q i brzinu v, iz koje čestica pada u polje.
Način magnetnog polja B ponaša se u odnosu na opterećenje potpuno drugačije od onoga kako se opaža za električno polje E. Prije svega, teren B ne reaguje na opterećenje. Međutim, kada se teret kreće u polje B, pojavljuje se sila koja je izražena formulom koja se može smatrati definicijom polja B:
Dakle, jasno je da polje B djeluje kao sila okomita na smjer vektora brzine V opterećenja i vektorski smjer B. Ovo se može ilustrovati dijagramom:
Na dijagramu q ima pozitivan naboj!
Jedinice B polja se mogu dobiti iz Lorentzove jednadžbe. Dakle, u SI sistemu jedinica B je jednaka 1 tesla (1T). U CGS sistemu, jedinica polja je Gaus (1G). 1T = 10 4 G
Za usporedbu, prikazana je animacija kretanja pozitivnih i negativnih naboja.
Kada je polje B pokriva veliku površinu, naboj q se kreće okomito na smjer vektora B, stabilizira svoje kretanje po kružnoj putanji. Međutim, kada je vektor v ima komponentu paralelnu vektoru B, tada će put punjenja biti spiralna kao što je prikazano u animaciji
Lorentzova sila na provodnik sa strujom
Sila koja djeluje na provodnik sa strujom rezultat je Lorentzove sile koja djeluje na pokretne nosioce naboja, elektrone ili ione. Ako dio vodilice ima dužinu l, kao na crtežu
ukupni naboj Q se kreće, tada je sila F koja djeluje na ovaj segment
Kvocijent Q / t je vrijednost struje I te se stoga sila koja djeluje na presjek sa strujom izražava formulom
Da se uzme u obzir zavisnost sile F iz ugla između vektora B i osa segmenta, dužina segmenta Bio sam dato karakteristikama vektora.
Samo elektroni se kreću u metalu pod uticajem potencijalnih razlika; metalni joni ostaju nepokretni u kristalnoj rešetki. U otopinama elektrolita, anioni i kationi su pokretni.
Lijeva ruka vlada Lorentzovom silom— određivanje smjera i povratka vektora magnetske (elektrodinamičke) energije.
Ako je lijeva ruka postavljena tako da su linije magnetskog polja usmjerene okomito na unutrašnju površinu šake (tako da prodiru u šaku), a svi prsti - osim palca - usmjereni su u smjeru pozitivnog toka struje (kreće se molekula), iskrivljeni palac označava smjer elektrodinamičke sile koja djeluje na pozitivni električni naboj postavljen u ovo polje (za negativan naboj, sila će biti suprotna).
Drugi način za određivanje smjera elektromagnetne sile je postavljanje palca, kažiprsta i srednjeg prsta pod pravim uglom. Kod ovog rasporeda, kažiprst pokazuje smjer linija magnetnog polja, smjer srednjeg prsta pokazuje smjer toka struje, a također i smjer sile palcem.
Moment sile koja djeluje na strujni krug u magnetskom polju
Moment sile koja djeluje na krug sa strujom u magnetskom polju (na primjer, na žičanu zavojnicu u namotu elektromotora) također je određen Lorentzovom silom. Ako petlja (označena crvenom bojom na dijagramu) može rotirati oko ose okomite na polje B i provodi struju I, tada se pojavljuju dvije neuravnotežene sile F koje djeluju na strane okvira paralelne s osi rotacije.
Lorentzova sila je sila koja djeluje iz elektromagnetnog polja na električni naboj koji se kreće. Često se samo magnetska komponenta ovog polja naziva Lorentzova sila. Formula za određivanje:
F = q(E+vB),
Gdje q— naboj čestica;E— jačina električnog polja;B— indukcija magnetnog polja;v— brzina čestica.
Lorentzova sila je u principu vrlo slična, razlika je u tome što potonja djeluje na cijeli provodnik, koji je općenito električno neutralan, a Lorencova sila opisuje uticaj elektromagnetnog polja samo za jedno pokretno punjenje.
Karakterizira ga činjenica da ne mijenja brzinu kretanja naboja, već samo utječe na vektor brzine, odnosno da je sposoban promijeniti smjer kretanja nabijenih čestica.
U prirodi, Lorentzova sila nam omogućava da zaštitimo Zemlju od efekata kosmičkog zračenja. Pod njegovim uticajem, naelektrisane čestice koje padaju na planetu skreću sa pravog puta zbog prisustva Zemljinog magnetnog polja, izazivajući aurore.
U tehnologiji se Lorentzova sila vrlo često koristi: u svim motorima i generatorima to je ono što pokreće rotor pod uticajem elektromagnetnog polja statora.
Dakle, u svim elektromotorima i električnim pogonima glavni tip sile je Lorentzian. Osim toga, koristi se u akceleratorima nabijenih čestica, kao iu elektronskim topovima, koji su prethodno bili ugrađeni u cijevne televizore. U kineskopu se elektroni koje emituje pištolj odbijaju pod utjecajem elektromagnetnog polja, što se događa uz sudjelovanje Lorentzove sile.
Dodatno, ova sila se koristi u masenoj spektrometriji i masovnoj elektrografiji za instrumente koji mogu sortirati nabijene čestice na osnovu njihovog specifičnog naboja (omjera naboja i mase čestice). Ovo omogućava određivanje mase čestica sa velikom preciznošću. Takođe nalazi primenu u drugim instrumentima, na primer, u beskontaktnoj metodi za merenje protoka električno provodljivih tečnih medija (merači protoka). Ovo je veoma važno ako tečni medij ima veoma visoku temperaturu (taljenje metala, stakla, itd.).
Sila koja djeluje na pokretnu nabijenu česticu iz magnetskog polja naziva se Lorencova sila. Eksperimentalno je utvrđeno da je sila koja djeluje na naboj u magnetskom polju okomita na vektore 
I 
, a njegov modul je određen formulom:
,
Gdje 
– ugao između vektora 
I 
.
Smjer Lorentzove sile 
odlučan pravilo leve ruke(slika 6):
ako su ispruženi prsti postavljeni u smjeru brzine pozitivnog naboja, a linije magnetskog polja ulaze u dlan, tada će savijeni palac pokazati smjer sile
, djelujući na naboj iz magnetnog polja.
Za negativni smjer naelektrisanja 
treba obrnuti.
Rice. 6. Pravilo lijeve ruke za određivanje smjera Lorentzove sile.
1.5. Amperska snaga. Pravilo lijeve ruke za određivanje smjera Amperove sile
Eksperimentalno je utvrđeno da na provodnik sa strujom koji se nalazi u magnetskom polju djeluje sila koja se zove Amperova sila (vidi odjeljak 1.3.). Određuje se smjer sile Ampera (slika 4). pravilo leve ruke(vidi tačku 1.3).
Modul sile ampera izračunava se po formuli
,
Gdje 
– jačina struje u provodniku, 
- indukcija magnetnog polja, 
- dužina provodnika, 
- ugao između smjera struje i vektora 
.
1.6. Magnetski fluks
Magnetski fluks
kroz zatvorenu petlju je skalarna fizička veličina jednaka proizvodu modula vektora 
Na trg 
kontura i kosinus ugla 
između vektora 
i normalno 
do konture (slika 7):
Rice. 7. Konceptu magnetnog fluksa
Magnetski fluks se može jasno protumačiti kao vrijednost proporcionalna broju linija magnetne indukcije koje prodiru u površinu površine od 
.
Jedinica magnetnog fluksa je weber
.
Magnetski fluks od 1 Wb stvara jednolično magnetsko polje sa indukcijom od 1 T kroz površinu od 1 m2 koja se nalazi okomito na vektor magnetske indukcije:
1 Wb = 1 T m 2.
2. Elektromagnetna indukcija
2.1. Fenomen elektromagnetne indukcije
Godine 1831 Faraday je otkrio fizički fenomen nazvan fenomen elektromagnetne indukcije (EMI), koji se sastoji u činjenici da kada se magnetski tok koji prolazi kroz kolo promijeni, u njemu nastaje električna struja. Zove se struja koju je dobio Faraday indukcija.
Indukovana struja se može dobiti, na primjer, ako se trajni magnet ugura unutar zavojnice na koju je spojen galvanometar (slika 8, a). Ako se magnet ukloni sa zavojnice, pojavljuje se struja u suprotnom smjeru (slika 8, b).
Indukovana struja se javlja i kada magnet miruje, a zavojnica se kreće (gore ili dole), tj. Sve što je važno je relativnost kretanja.
Ali ne proizvodi svaki pokret indukovanu struju. Kada magnet rotira oko svoje vertikalne ose, nema struje, jer u ovom slučaju se magnetni tok kroz zavojnicu ne mijenja (slika 8, c), dok se u prethodnim eksperimentima magnetni tok mijenja: u prvom eksperimentu se povećava, au drugom smanjuje (slika 8, a, b).
Smjer indukcijske struje podliježe Lenzovo pravilo:
Inducirana struja koja nastaje u zatvorenom kolu uvijek je usmjerena tako da se magnetsko polje koje stvara suprotstavlja uzroku koji je uzrokuje.
Inducirana struja ometa vanjski tok kada se povećava i podržava vanjski tok kada se smanjuje.
Rice. 8. Fenomen elektromagnetne indukcije
Ispod na lijevoj slici (slika 9) indukcija vanjskog magnetskog polja 
, usmjereno “od nas” (+) raste ( 
>0), desno – opadajuće ( 
<0).
Видно, чтоindukovana struja usmjereno tako da se vlastitimagnetna polje sprečava promjenu vanjskog magnetskog fluksa koji je uzrokovao ovu struju.
Rice. 9. Odrediti smjer indukcijske struje
Pojava sile koja djeluje na električni naboj koji se kreće u vanjskom elektromagnetnom polju
Animacija
Opis
Lorentzova sila je sila koja djeluje na nabijenu česticu koja se kreće u vanjskom elektromagnetnom polju.
Formula za Lorentzovu silu (F) je prvi put dobijena generalizacijom eksperimentalnih činjenica H.A. Lorentz 1892. i predstavljen u djelu “Maxwellova elektromagnetna teorija i njena primjena na tijela koja se kreću”. Izgleda:
F = qE + q, (1)
gdje je q nabijena čestica;
E - jačina električnog polja;
B je vektor magnetske indukcije, nezavisan od veličine naboja i brzine njegovog kretanja;
V je vektor brzine nabijene čestice u odnosu na koordinatni sistem u kojem su izračunate vrijednosti F i B.
Prvi član na desnoj strani jednačine (1) je sila koja djeluje na nabijenu česticu u električnom polju F E =qE, drugi član je sila koja djeluje u magnetskom polju:
F m = q. (2)
Formula (1) je univerzalna. Vrijedi i za konstantna i varijabilna polja sile, kao i za bilo koje vrijednosti brzine nabijene čestice. To je važan odnos elektrodinamike, jer nam omogućava da povežemo jednačine elektromagnetnog polja sa jednačinama kretanja naelektrisanih čestica.
U nerelativističkoj aproksimaciji, sila F, kao i svaka druga sila, ne zavisi od izbora inercijalnog referentnog okvira. Istovremeno, magnetska komponenta Lorentzove sile Fm mijenja se pri kretanju iz jednog referentnog sistema u drugi zbog promjene brzine, pa će se mijenjati i električna komponenta F E. U tom smislu, podjela sile F na magnetnu i električnu ima smisla samo uz naznaku referentnog sistema.
U skalarnom obliku, izraz (2) izgleda ovako:
Fm = qVBsina, (3)
gdje je a ugao između vektora brzine i magnetske indukcije.
Dakle, magnetski dio Lorentzove sile je maksimalan ako je smjer kretanja čestice okomit na magnetsko polje (a =p /2), a jednak je nuli ako se čestica kreće duž smjera polja B (a =0).
Magnetna sila F m je proporcionalna vektorskom proizvodu, tj. ona je okomita na vektor brzine nabijene čestice i stoga ne radi na naboju. To znači da se u stalnom magnetskom polju, pod uticajem magnetske sile, savija samo putanja pokretne naelektrisane čestice, ali njena energija ostaje uvek ista, ma kako se čestica kretala.
Smjer magnetske sile za pozitivan naboj određen je prema vektorskom proizvodu (slika 1).
Smjer sile koja djeluje na pozitivno naelektrisanje u magnetskom polju
Rice. 1
Za negativan naboj (elektron), magnetska sila je usmjerena u suprotnom smjeru (slika 2).
Smjer Lorentzove sile koja djeluje na elektron u magnetskom polju
Rice. 2
Magnetno polje B usmjereno je prema čitaču okomito na crtež. Nema električnog polja.
Ako je magnetsko polje ujednačeno i usmjereno okomito na brzinu, naboj mase m kreće se u krug. Polumjer kružnice R je određen formulom:
gdje je specifični naboj čestice.
Period okretanja čestice (vrijeme jednog okretaja) ne ovisi o brzini ako je brzina čestice mnogo manja od brzine svjetlosti u vakuumu. Inače, orbitalni period čestice se povećava zbog povećanja relativističke mase.
U slučaju nerelativističke čestice:
gdje je specifični naboj čestice.
U vakuumu u jednoličnom magnetskom polju, ako vektor brzine nije okomit na vektor magnetske indukcije (a№p /2), nabijena čestica pod utjecajem Lorentzove sile (njen magnetni dio) kreće se duž spiralne linije sa konstantna brzina V. U ovom slučaju, njegovo kretanje se sastoji od ravnomjernog pravolinijskog kretanja duž smjera magnetskog polja B sa brzinom i ravnomjernog rotacionog kretanja u ravni okomitoj na polje B sa brzinom (slika 2).
Projekcija putanje čestice na ravan okomitu na B je kružnica polumjera:
period okretanja čestice:
Udaljenost h koju čestica pređe u vremenu T duž magnetskog polja B (korak spiralne putanje) određena je formulom:
h = Vcos a T . (6)
Os spirale se poklapa sa smjerom polja B, centar kruga se kreće duž linije polja (slika 3).
Kretanje nabijene čestice koja ulijeće pod uglom a№p /2 u magnetnom polju B
Rice. 3
Nema električnog polja.
Ako je električno polje E br. 0, kretanje je složenije.
U konkretnom slučaju, ako su vektori E i B paralelni, tokom kretanja se menja komponenta brzine V 11, paralelna sa magnetskim poljem, usled čega se menja korak spiralne putanje (6).
U slučaju da E i B nisu paralelni, centar rotacije čestice se pomiče okomito na polje B, što se naziva driftom. Smjer drifta je određen vektorskim proizvodom i ne ovisi o predznaku naboja.
Utjecaj magnetskog polja na pokretne nabijene čestice dovodi do preraspodjele struje po poprečnom presjeku provodnika, što se očituje u termomagnetnim i galvanomagnetskim pojavama.
Efekat je otkrio holandski fizičar H.A. Lorenz (1853-1928).
Vremenske karakteristike
Vrijeme inicijacije (log do -15 do -15);
Životni vijek (log tc od 15 do 15);
Vrijeme degradacije (log td od -15 do -15);
Vrijeme optimalnog razvoja (log tk od -12 do 3).
dijagram:
Tehničke implementacije efekta
Tehnička implementacija Lorentzovih snaga
Tehnička implementacija eksperimenta za direktno promatranje efekta Lorentzove sile na pokretni naboj obično je prilično složena, budući da odgovarajuće nabijene čestice imaju karakterističnu molekularnu veličinu. Stoga, promatranje njihove putanje u magnetskom polju zahtijeva evakuaciju radne zapremine kako bi se izbjegli sudari koji iskrivljuju putanju. Dakle, u pravilu se takve demonstracijske instalacije ne kreiraju posebno. Najlakši način da se to demonstrira je korištenje standardnog Nier sektorskog magnetnog analizatora mase, vidi Efekat 409005, čije djelovanje je u potpunosti zasnovano na Lorentzovoj sili.
Primjena efekta
Tipična upotreba u tehnologiji je Hall senzor, koji se široko koristi u mjernoj tehnologiji.
Metalna ili poluprovodnička ploča postavljena je u magnetsko polje B. Kada se kroz nju provuče električna struja gustoće j u smjeru okomitom na magnetsko polje, u ploči nastaje poprečno električno polje čiji je intenzitet E okomit na oba vektora j i B. Prema podacima mjerenja, nalazi se B.
Ovaj efekat se objašnjava djelovanjem Lorentzove sile na naboj koji se kreće.
Galvanomagnetski magnetometri. Maseni spektrometri. Akceleratori napunjenih čestica. Magnetohidrodinamički generatori.
Književnost
1. Sivukhin D.V. Opšti kurs fizike - M.: Nauka, 1977. - T.3. Struja.
2. Fizički enciklopedijski rečnik - M., 1983.
3. Detlaf A.A., Yavorsky B.M. Kurs fizike - M.: Viša škola, 1989.
Ključne riječi
- električni naboj
- magnetna indukcija
- magnetno polje
- jačina električnog polja
- Lorencova sila
- brzina čestica
- radijus kruga
- period cirkulacije
- nagib spiralne putanje
- elektron
- proton
- pozitron
Sekcije prirodnih nauka:
