Конспект урока: Магнитное поле. Индукция магнитного поля. Сила Лоренца. Линии магнитной индукции. Картины магнитных полей. Движение заряженных частиц в магнитном поле

Магнитное поле

На предыдущем уроке мы рассматривали взаимодействие двух проводников с токами. Что заставляет их перемещаться в пространстве (отталкиваться или притягиваться)? Согласно теории близкодействия, взаимодействия осуществляются посредством силовых полей, которые образуются вокруг проводников. Вокруг проводников с токами образуется магнитное поле, следовательно, посредством него и осуществляются взаимодействия.

Так, можно выделить такие свойства магнитного поля: образуется движущимися электрическими зарядами (заряжёнными телами), проводниками с токами и постоянными магнитами; обнаруживается по действию на движущиеся заряды, на проводники с токами и постоянные магниты (магнитную стрелку). 

Вектор магнитной индукции

Для характеристики действия магнитного поля вводится специальная векторная физическая величина —  вектор магнитной индукции. Это силовая характеристика магнитного поля. Обозначают символом $\overrightarrow{B}$, измеряют в СИ в тесла (Тл) (в честь великого сербского физика-экспериментатора Николы Тесла (1856–1943)). За направление вектора магнитной индукции принимают направление магнитной оси, помещённой в эту точку магнитной стрелки, которая ориентируется только под действием магнитных сил.

Для определения модуля вектора магнитной индукции $\overrightarrow{B}$ рассмотрим пробный движущийся заряд $q$, помещённый в магнитное поле. Со стороны поля на него будет действовать магнитная сила $F_m$. Опыт показывает, что эта сила будет прямо пропорциональна произведению модуля заряда на скорость частицы и синус угла между векторами $\overrightarrow{B}$ и $\overrightarrow{v}$:

$F_m~\left|q\right|·v·\sin \alpha$,

$F_{max}~\left|q\right|·v \mathrm{при} \sin \alpha =1 (\alpha =90°)$.

Одинаковое для всех частиц, пролетающих через данную точку поля, отношение $F_{max}$к произведению $\left|q\right|·v$ может служить характеристикой магнитного поля в этой точке. В СИ это отношение считают равным модулю вектора магнитной индукции.

Если вектор магнитной индукции одинаков по модулю и направлению во всех точках некоторой области пространства, то магнитное поле считают однородным. 

Для описания магнитного поля, создаваемого несколькими источниками, справедлив принцип суперпозиции.

Сила Лоренца

Голландский физик Хендрик Лоренц (1853–1928) одним из первых исследовал и описал движение заряжённых частиц под действием электрического и магнитного полей. Силу, действующую на движущуюся заряжённую частицу, назвали силой Лоренца. Различают её электрическую и магнитную составляющие.

Электрической составляющей силы Лоренца называют силу, с которой на частицу действует электрическое поле: $F_{эл}=q·\overrightarrow{E},$ где $q$ — заряд частицы, а $\overrightarrow{E}$ — напряжённость электрического поля в данной точке.

Магнитной составляющей силы Лоренца называют силу, с которой на частицу действует магнитное поле. Силу Лоренца рассчитывают по формуле $F_m=\left|q\right|·v·B·\sin \alpha .$

Правило левой руки для определения направления действия магнитной составляющей силы Лоренца

1. Ладонь левой руки располагают так, чтобы вытянутые четыре пальца совпадали с направлением вектора скорости положительно заряжённой частицы.
2. Ладонь поворачивают, не изменяя направление вытянутых четырёх пальцев так, чтобы вектор магнитной индукции входил в ладонь.
3. Большой палец располагают так, чтобы он, оставаясь в одной плоскости с остальными пальцами, был перпендикулярен им. Большой палец показывает направление силы Лоренца.

Если частица отрицательно заряжена, то направление силы Лоренца будет противоположно направлено большому пальцу.

Рис. 1. Правило левой руки для определения направления действия магнитной составляющей силы Лоренца

Пример 1

 

Определите по рисунку направление силы Лоренца, действующую на положительно заряжённую частицу, движущуюся в магнитном поле.

Упражнение 1

 

Определите по рисунку направление действия силы Лоренца на движущиеся заряжённые частицы в магнитном поле (вправо, влево, вверх, вниз, от наблюдателя, к наблюдателю).