Магнитное поле оказывает удивительное действие на движущиеся заряженные частицы. Это явление лежит в основе работы многих полезных устройств. Давайте разберемся, как именно происходит такое взаимодействие и чем отличаются сила Ампера и сила Лоренца.
Физическая сущность силы Лоренца
Сила Лоренца - это сила, с которой магнитное поле действует на движущуюся заряженную частицу. Она пропорциональна скорости частицы, величине ее заряда и магнитной индукции. Чтобы точно описать эту силу, используют следующую формулу:
F = qvBsinα
где F - сила Лоренца, q - заряд частицы, v - скорость частицы, B - индукция магнитного поля, α - угол между векторами скорости и магнитной индукции.
Согласно этой формуле, сила Лоренца будет тем больше, чем:
- сильнее магнитное поле (больше B)
- выше заряд частицы (больше q)
- быстрее летит частица (больше v)
- меньше угол между v и B (чем ближе они ориентированы перпендикулярно, тем больше sinα)
Действие силы Лоренца легко наблюдаемо на примере электронов или протонов, которые проходят сквозь магнитное поле. Изменение траектории частиц показывает, что их движение подчинено определенным законам.
Физический смысл силы Ампера
Сила ампера и сила лоренца: сила ампера возникает в проводниках, по которым течет электрический ток. По сути, ток - это тоже движение заряженных частиц, только в упорядоченном виде. Каждая частица испытывает действие силы Лоренца, а их суммарный эффект и дает силу Ампера. Ее величина зависит от силы тока, длины проводника и индукции магнитного поля:
FA = I∙l∙B∙sinα
где I - сила тока в проводнике, l - длина проводника в магнитном поле, В - индукция магнитного поля, α - угол между направлением тока и направлением вектора магнитной индукции.
Примером может служить работа электродвигателя. При взаимодействии магнитного поля статора и тока в роторе возникает вращающая сила. Одни концы проводника выталкиваются из сильного магнитного поля, а другие притягиваются к нему. И этот эффект приводит в движение рабочие части двигателя.
Так проявляются сила ампера и сила лоренца их направления в работе электрических машин.
Взаимосвязь силы Лоренца и силы Ампера
Между силой Лоренца и силой Ампера существует тесная взаимосвязь. Сила Ампера возникает как результат действия отдельных сил Лоренца на все заряженные частицы, движущиеся в проводнике с током.
Это подтверждается сходством формул для вычисления двух сил. Сравнивая их, видно, что в формуле силы Ампера вместо заряда стоит сила тока I. Это логично, так как ток численно равен количеству заряда, прошедшего через сечение проводника в единицу времени. Вместо скорости подставлена длина участка провода в магнитном поле l. Длина, деленная на время, и есть скорость упорядоченного движения зарядов.
Таким образом, размерность силы Лоренца [H·C/м] совпадает с размерностью силы Ампера [A·м·Тл], что еще раз подтверждает их близкую природу.
Сила ампера сила лоренца: правило левой руки
Для определения направления при помощи силы ампера силы лоренца используют так называемое правило левой руки. Сначала ориентируют левую руку так, чтобы магнитные линии входили в ладонь. Затем 4 пальца вытягивают в направлении движения положительного заряда или тока в проводнике. Направление, куда указывает большой палец, и есть направление искомой силы.
Применение сил Лоренца и Ампера в технике
Силы Лоренца и Ампера широко используются в различных технических устройствах и научных приборах. К примеру, в масс-спектрометрах поток заряженных частиц отклоняется под действием магнитного поля. Это позволяет рассчитать массу частиц по параметрам их траектории.
В электрических двигателях за счет силы Ампера осуществляется вращение ротора. Подбирая конструкцию и силу магнитов, можно создавать двигатели для самых разных целей.
А в ускорителях элементарных частиц используют комбинацию электрических и магнитных полей для разгона протонов и других частиц до огромных скоростей.
Экспериментальное определение сил Лоренца и Ампера
Для практического изучения сил Лоренца и Ампера можно провести несложные лабораторные работы. В качестве оборудования понадобятся:
- Источник постоянного тока
- Проволочные катушки
- Миллиамперметр
- Подвижная рамка
- Транспортир
Сначала собирается установка: катушки соединяются с источником тока последовательно, а в центре между ними подвешивается на нити подвижная рамка. Затем проводятся измерения:
- Фиксируется сила тока в катушках
- Измеряется угол отклонения рамки в магнитном поле
- Рассчитывается магнитная индукция и действующие силы
Повторные замеры при разной силе тока позволяют убедиться в справедливости формул для сил Ампера и Лоренца.
Перспективы применения сил Лоренца и Ампера
Силы Лоренца и Ампера активно применяются в современной технике, но их потенциал далеко не исчерпан. В будущем они могут лечь в основу:
- Компактных и мощных электродвигателей
- Быстрых масс-спектрометров для химического анализа
- Промышленных ускорителей заряженных частиц
Принцип действия этих устройств хорошо изучен, нужны только новые конструкторские решения для их создания.
Роль магнитных сил в обучении физике
Помимо технических приложений, силы Лоренца и Ампера широко используются в учебном процессе. Изучение магнитных явлений позволяет учащимся лучше понять природу электричества и строение атомов. Эта тема подходит для проведения практических и лабораторных работ, наглядно демонстрирующих действие невидимых сил.
Таким образом, силы Лоренца и Ампера служат отличным примером единства теории и практики, позволяя ученикам на собственном опыте изучить удивительные магнитные явления.
