Тема: Взаємодія струмів. Магнітне поле. Дія магнітного поля на провідник із струмом. Силова характеристика магнітного поля. Дія магнітного поля на рухомі заряди. Сила Лоренца

Взаємодія струмів. Магнітне поле. Індукція магнітного поля. Закон Ампера. Сила Лоренца

Між нерухомими електричними зарядами діють сили, що визначаються законом Кулона. Але між електричними зарядами можуть діяти сили й іншої природи. В існуванні їх можна переконатися за допомогою досліду. Два гнучкі провідники приєднаємо до джерела струму так, щоб у провідниках виникли струми протилежного напряму (рис.4.4.2). Провідники почнуть відштовхуватися один від одного. Якщо струми одного напряму, провідники притягуються (рис. 4.4.3).

Таку взаємодію між провідниками зі струмом, тобто взаємодію між рухомими електричними зарядами, називають магнітною. Сили, з якими провідники зі струмом діють один на одного, називають магнітними силами.

Згідно з теорією близькодії струм в одному із провідників не може безпосередньо діяти на інший струм.

Так само, як і в просторі, що оточує нерухомі електричні заряди, виникає електричне поле, у просторі, що оточує струми, виникає магнітне. Електричний струм в одному з провідників створює навколо себе магнітне поле, яке діє на струм у другому провіднику. А поле, створене другим струмом, діє на перше.

Магнітне поле - особлива форма матерії, через яку здійснюється взаємодія між рухомими електрично зарядженими частинками.

Основні властивості магнітного поля:

1) магнітне поле породжується електричним струмом (рухомими зарядами);

2) магнітне поле виявляється за дією на електричний струм (рухомі заряди);

3) як і електричне, магнітне поле існує реально незалежно від знань про нього. Це підтверджується існуванням електромагнітних хвиль.

Силовою характеристикою магнітного поля є вектор магнітної індукції . За напрям вектора магнітної індукції беруть напрям від південного полюса S до північного полюса N стрілки компаса, яка вільно встановлюється в магнітному полі.

Для дослідження магнітного поля використовують рамку зі струмом. При цьому напрям вектора магнітної індукції визначають за правилом свердлика: якщо напрям поступального руху свердлика збігається з напрямом струму в провіднику, то напрям обертання ручки свердлика збігається з напрямом вектора магнітної індукції.

Наочну картину магнітного поля можна отримати, якщо побудувати силові лінії поля. Це лінії, дотична до яких в кожній точці збігається за напрямом з вектором магнітної індукції .

Силові лінії довгої котушки із струмом (соленоїда) зображено на рис.4.4.4. Поле всередині соленоїда через однакову густину ліній можна вважати однорідним. У наявності силових ліній магнітного поля можна переконатися з дослідів з металевими ошурками, які можна розглядати як маленькі магнітні стрілки.

Важливою особливістю ліній магнітної індукції є те, що вони не мають ні початку, ні кінця. Вони завжди замкнені. Поля із замкненими силовими лініями називають вихровими. Магнітне поле є вихровим, воно не має джерел. Магнітних зарядів, подібних до електричних, у природі не існує.

Дослідимо це поле за допомогою рамки площею S, в якій проходить струм I. Магнітне поле створить максимальний обертальний момент M_max, який зростає зі збільшенням індукції магнітного поля, сили струму I і площі рамки S. Тому модулем вектора магнітної індукції буде відношення максимальної сили, що діє з боку магнітного поля на ділянку провідника зі струмом, до добутку сили струму I на довжину цієї ділянки Dl:

.

У кожній точці магнітного поля можна визначити напрям вектора магнітної індукції і його модуль вимірюванням сили, що діє на ділянку провідника зі струмом. За одиницю магнітної індукції беруть магнітну індукцію такого поля, у якому на контур площею 1 м² із струмом силою 1 А діє з боку поля максимальний момент сил M = 1 Н·м.

Одиниця магнітної індукції - тесла (Тл); її названо на честь югославського вченого електротехніка Н. Тесла.

Рамка зі струмом у магнітному полі повертається внаслідок дії поля спочатку на кожну ділянку рамки зі струмом. До такого висновку вперше дійшов 1820 року французький фізик Ампер. Провівши багато дослідів, він встановив закон, названий його іменем,

F_A = BIlsina.

Сила Ампера F_A дорівнює добутку модуля вектора магнітної індукції на силу струму I, довжину ділянки провідника l і на синус кута a між вектором і напрямом струму.

Напрям сили Ампера визначають за правилом лівої руки (рис. 4.4.5). Якщо ліву руку розташувати так, щоб перпендикулярна до провідника складова вектора магнітної індукції входила в долоню, а чотири витягнутих пальці були напрямлені так само, як струм, то відігнутий на 90° великий палець покаже напрям сили, що діє на відрізок провідника.

Закон Ампера використовують для розрахунку сил, що діють на провідники зі струмом, у багатьох технічних пристроях, зокрема в електродвигунах.

Дія магнітного поля на провідник зі струмом є результатом дії поля на рухомі заряджені частинки всередині провідника.

Силу, яка діє на кожен рухомий заряд з боку магнітного поля, називають силою Лоренца. Її можна знайти за допомогою сили Ампера:

, (4.4.1)

де N - кількість вільних носіїв заряду в провіднику.

Розглянемо ділянку провідника зі струмом (рис.4.4.6). Нехай його довжина Dl і площа поперечного перерізу S настільки малі, що індукцію магнітного поля можна вважати незмінною в межах провідника. Сила струму в провіднику згідно з формулою (4.2.1)

. (4.4.2)

З урахуванням рівняння (4.4.2) сила Ампера:

, (4.4.3)

де nSDl = N - кількість вільних носіїв заряду.

Підставивши вираз для сили Ампера (4.4.3) у формулу (4.4.1), знаходимо вираз для сили Лоренца:

;

,

де a - кут між векторами швидкості вільних носіїв заряду і магнітної індукції.

Напрям сили Лоренца, як і напрям сили Ампера визначається за допомогою правила лівої руки (рис.4.4.7). Якщо ліву руку розмістити так, щоб складова магнітної індукції , перпендикулярна до швидкості заряду, входила у долоню, а чотири пальці були напрямлені за рухом позитивного заряду (проти руху негативного), то відігнутий на 90º великий палець покаже напрям сили Лоренца F_л, що діє на заряд.

Оскільки сила Лоренца перпендикулярна до швидкості частинки, то вона не виконує роботу. Згідно з теоремою про кінетичну енергію це означає, що вона не змінює кінетичної енергії частинки і, отже, модуля її швидкості. Під дією сили Лоренца змінюється лише напрям швидкості частинки. Якщо частинка влітає перпендикулярно до вектора магнітної індукції, то в магнітному полі вона буде рухатися по колу (рис.4.4.8). Якщо частинка влітає під кутом , то вона далі в магнітному полі буде рухатися по спіралі (рис.4.4.9).

Дію магнітного поля на рухомий заряд широко використовують у сучасній техніці. У кінескопах телевізорів електрони, що летять до екрана, відхиляються магнітним полем. Дію сили Лоренца застосовують у мас-спектрографах - приладах, що дозволяють визначати маси частинок за знайденими значеннями їх питомих зарядів.

Запитання для самоперевірки

1. Що називають магнітним полем? Які його основні властивості?

2. Як взаємодіють між собою паралельні струми? Чим викликається їх взаємодія?

3. Назвіть правила, що визначають напрям магнітного поля (ліній магнітної індукції)? Поясніть, як користуватися кожним правилом.

4. Як визначають модуль вектора магнітної індукції? Якими формулами його виражають?

5. У яких одиницях вимірюють магнітну індукцію в СІ? Сформулюйте визначення цієї одиниці.

6. Що називають лініями магнітної індукції?

7. Які поля називають вихровими?

8. Що встановлює закон Ампера?

9. Виконайте рисунок і опишіть дослід, за допомогою якого можна перевірити справедливість закону Ампера.

10. Чому дорівнює модуль сили Ампера?

11. Сформулюйте правило, що дозволяє визначити напрям сили Ампера.

12. Наведіть приклади практичного використання сили Ампера.

13. Яку силу називають силою Лоренца?

14. Запишіть формулу для визначення сили, з якою магнітне поле діє на заряд, що рухається в ньому.

15. Як рухається заряджена частинка в однорідному магнітному полі у випадку, коли напрям швидкості перпендикулярний до вектора магнітної індукції? Не перпендикулярний?

16. Чому сила Лоренца не змінює модуля швидкості зарядженої частинки?

17. Наведіть формулу радіуса руху зарядженої частинки в однорідному магнітному полі.

18. За якою формулою визначають період обертання зарядженої частинки по колу в однорідному магнітному полі?

19. Наведіть приклади практичного використання сили Лоренца.