Магнитное поле и его свойства. Магнитная индукция. Сила Ампера. Работа при перемещении проводника в магнитном поле. Намагничивание веществ, страница 21

Голландский ученый Г. А. Лоренц объяснил существование силы Ампера тем, что магнитное поле действует на движущиеся заряды в проводнике с током. Поскольку эти заряды вырваться из проводника не могут, то общая сила, действующая на них, оказывается приложенной к проводнику.

Таким образом, сила Ампера  является суммой сил, действующих на свободные заряды в проводнике с током. Это предложение дает возможность найти силу  действующую на один движущийся заряд в магнитном поле. Эту силу называть силой Лоренца. Итак,

где – общее число свободных зарядов в проводнике с током.

В металле такими зарядами являются электроны, заряд каждого из них равен  Так как  и .то

Учитывая, что получим формулу для вычисления силы Лоренца:

 

где– угол между векторами  и 1l

Направление силы Лоренца находится с помощью правила левой руки. Применяя его, нужно помнить, что если в магнитном поле движется положительный заряд то четыре вытянутых пальца должны быть направлены в сторону его движения, т. е. в сторону вектора  а если движется отрицательный заряд , то вытянутые четыре пальца должны быть направлены против  Оказывается, сила Лоренца всегда перпендикулярна плоскости, в которой находятся векторы  и  Это означает, что она перпендикулярна каждому из этих векторов.

Следовательно, сила Лоренца работы не совершает, т.е. не может изменить кинетической энергии свободных зарядов, движущихся в магнитном поле. Она может только изменить направление скорости движения свободных зарядов, т. е. является центростремительной силой.

Допустим, что заряд , имеющий массу и скорость , влетает в однородное магнитное поле с индукцией  гак, что вектор скорости  перпендикулярен вектору . Тогда или

	Рисунок 42 – заряд в магнитном поле

 

В этом случае заряд будет двигаться по окружности (рисунок 42) с радиусом (линии индукции на рисунке 42 направлены на читателя) некоторому значению

Пока магнит неподвижен, индукция  в точке  остается неизменной. Если магнит привести в движение, то индукция  начинает изменяться. Например, если приближать магнит к точке  то индукция  в ней возрастает до какого-то нового значения (рисунок 45б).

 

Ясно, что изменение магнитного поля в точке  происходило во время движения магнита, а после остановки магнита индукция  изменяться больше не будет.

Постоянным называется магнитное поле, в котором значение вектора магнитной индукции, в каждой точке не изменяется со временем. Постоянное магнитное поле существует вокруг неподвижного магнита или неподвижного проводника с постоянным током.

Переменное магнитное поле получается не только при движении магнита или проводника с постоянным током относительно наблюдателя. Вспомним, что индукция магнитного поля зависит от силы тока в проводнике. Поэтому в пространстве, окружающем неподвижный проводник с изменяющимся током, магнитное поле также изменяется. Так, при замыкании электрической цепи ток за некоторый промежуток времени возрастает от нуля до своего наибольшего значения, достигнув которого, он перестает изменяться. При этом вместе с током изменяется и его магнитное поле. Наоборот, при размыкании цепи ток и его магнитное поле уменьшаются до нуля.

Если направление скорости по отношению к линиям индукции составляет угол  отличный от 90⁰, то заряд будет двигаться по винтовой траектории вокруг линий индукции поля (рис. 43), так как вектор  можно разложить на составляющие  и  Одна из них, продольная  направлена вдоль линий индукции, а другая, нормальная, – перпендикулярна к ним. Последняя определяет радиус витков  а продольная составляющая  изменяться не будет. Если заряд, пройдет один виток за время  то вдоль линии индукции он за это время переместится на расстоянии

Нетрудно видеть, что  a  является шагом винтовой линии.

При движении заряженной частицы в неоднородном магнитном после сила Лоренца будет изменяться не только по направлению, но и по модулю, и траектория движения частицы может быть очень сложной.