89. ДЕЙСТВИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ДВИЖУЩИЙСЯ ЗАРЯД. СИЛА ЛОРЕНЦА

Электрический ток представляет собой совокупность упорядоченно движущихся заряженные частиц. Поэтому действие магнитного поля на проводник с током есть результат действия поля на движущиеся заряженные частицы внутри проводника.

Силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля, называют силой Лоренца, в честь великого голландского физика Г. Лоренца, основателя электронной теории строения вещества. Эту силу можно найти с помощью закона Ампера. Модуль силы «Лоренца равен отношению модуля силы, действующей на участок проводника длиной к числу упорядоченно движущихся заряженных частиц в этом участке проводника:

Рассмотрим отрезок тонкого прямого проводника с током (рис. 227). Пусть длина отрезка и площадь поперечного сечения проводника настолько малы, что вектор индукции магнитного поля В можно считать неизменным в пределах отрезка проводника. Сила тока в проводнике связана с зарядом частицы концентрацией заряженных частиц (числом зарядов в единице объема) и скоростью их упорядоченного движения следующей формулой (см. § 56):

Модуль силы, действующей со стороны магнитного поля на выбранный элемент тока, равен:

Подставляя сюда выражение (11.6) для силы тока, получим:

где число заряженных частиц рассматриваемом объеме. Следовательно, на каждый движущийся заряд со стороны магнитного поля действует сила Лоренца

где и угол между вектором скорости и вектором магнитной индукции Сила Лоренца перпендикулярна векторам В и и ее направление определяется с помощью того же

Рис. 227

Рис. 228

Рис. 229

правила левой руки, что и направление силы Ампера.

Если левую руку расположить так, чтобы составляющая магнитной индукции В, перпендикулярная скорости заряда, входила в ладонь, а четыре пальца были направлены по движению положительного заряда (против движения отрицательного), то отогнутый на 90° большой палец покажет направление действующей на заряд силы Лоренца (рис. 228).

Электрическое поле действует на заряд с силой Следовательно, если есть и электрическое поле и магнитное, то полная сила действующая на заряд, равна:

Так как сила Лоренца перпендикулярна скорости частицы, то она не совершает работы.

Согласно теореме о кинетической энергии (см. учебник физики для VIII класса) это означает, что сила Лоренца не меняет кинетической энергии частицы и, следовательно, модуля ее скорости. Под действием силы Лоренца меняется лишь направление скорости частицы.

Действие силы Лоренца на движущиеся электроны можно наблюдать, поднося электромагнит (или постоянный магнит) к электроннолучевой трубке. Меняя ток в электромагните, можно заметить, что отклонение электронного луча растет с увеличением модуля В магнитной индукции поля. При изменении направления тока в электромагните отклонение луча происходит в противоположную сторону.

Зависимость силы Лоренца от угла а между векторами В и можно обнаружить, наблюдая смещение электронного луча при изменении угла между осью магнита и осью электронной трубки.

Движение заряженной частицы в однородном магнитном поле. Рассмотрим движение частицы с зарядом в однородном

Рис. 230

Рис. 231

магнитном поле В, направленном перпендикулярно к начальной скорости частицы (рис. 229). Сила Лоренца зависит от модуля скорости частицы и индукции поля. Так как магнитное поле не меняет модуля скорости, то остается неизменным и модуль силы Лоренца. Эта сила перпендикулярна скорости и, следовательно, определяет центростремительное ускорение частицы. Неизменность по модулю центростремительного ускорения частицы, движущейся с постоянной по модулю скоростью, означает, что частица равномерно движется по окружности радиуса Определим этот радиус. Согласно второму закону Ньютона (рис. 229)

Отсюда

Применение силы Лоренца. ействие магнитного поля на движущийся заряд широко используют в современной технике. Достаточно упомянуть телевизионные трубки (кинескопы), в которых летящие к экрану электроны отклоняются с помощью магнитного поля, создаваемого особыми катушками (рис. 230).

Другое применение действие магнитного поля нашло в при борах, позволяющих разделять заряженные частицы но их удельным зарядам, т. е. по отношениям заряда частицы к ее массе, и по полученным результатам точно определять массы частиц. Такие приборы получили название масс-спектрографов.

На рисунке 231 изображена принципиальная схема простейшего масс-спектрографа. Вакуумная камера прибора помещена в магнитное поле (вектор индукции В перпендикулярен рисунку). Ускоренные электрическим полем заряженные частицы (электроны или ионы), описав дугу, попадают на фотопластинку, где оставляют след, позволяющий с большой точностью измерить По известному радиусу траектории определяется удельный заряд иона. Зная же заряд иона, легко определить его массу.

1. Каков принцип действия электроизмерительных приборов магнитоэлектрической системы? 2. Как определяется модуль вектора магнитной индукции? 3. Что называют потоком магнитной индукции? 4. Чему равен модуль силы Ампера? 5. Сформулируйте правило для определения направления силы Ампера. 6. Сформулируйте правило для определения направления силы Лоренца. 7. Чему равен модуль силы Лоренца? 8. Почему сила Лоренца не меняет модуля скорости заряженной частицы? 9. Как движется Заряженная частица в однородном магнитном поле, если начальная скорость частицы перпендикулярна линиям магнитной индукции?